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UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA
CARRERA DE INGENIERÍA DE ALIMENTOS
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE AGUAS
RESIDUALES DE LA EXTRACTORA LA SEXTA A ESCALA DE
LABORATORIO
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO DE ALIMENTOS
AUTOR: BRANY YANMAR MACÍAS ANDRADE
DIRECTORA: ING. NUBIA GRIJALVA
Quito, Junio 2014
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2014
Reservados todos los derechos de reproducción
DECLARACIÓN
Yo BRANY YANMAR MACÍAS ANDRADE, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para
ningún grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de
Propiedad Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional
vigente.
_________________________
Brany Yanmar Macías Andrade C.I. 0802813311
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “PRODUCCIÓN DE
BIOGÁS A PARTIR DE AGUAS RESIDUALES DE LA EXTRACTORA LA
SEXTA A ESCALA DE LABORATORIO”, que, para aspirar al título de
Ingeniero de Alimentos fue desarrollado por Brany Macías, bajo mi dirección
y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la Ingeniería; y cumple con las
condiciones requeridas por el reglamento de Trabajos de Titulación artículos 18
y 25.
___________________
Ing. Nubia Grijalva Vallejo DIRECTORA DEL TRABAJO
C.I. 171766568-9
DEDICATORIA
Con mucho cariño y amor:
A Dios que en todo momento me da fuerza para salir adelante y enfrentar
cada uno de los objetivos y metas que me planteo a diario.
A mis queridos padres, quienes me enseñaron valores morales, me guiaron
cuando los necesitaba y me dieron el apoyo incondicional en mis estudios
A mi hermano Rayd y a mis abuelos que me brindaron su apoyo en todo
momento.
A mis amigos (as) con quien compartí gratos momento durante la formación
universitaria.
Y especialmente a mi Directora que me guio y es parte de este logro.
Gracias a todos los que me acompañaron en esta etapa de mi vida y que
Dios los llene de bendiciones.
Brany Y. Macías Andrade
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN VII
ABSTRACT VIII
1. INTRODUCCIÓN 1
1.1 OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN 3
1.1.1 OBJETIVO GENERAL 3
1.1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS 3
2. MARCO TEÓRICO 4
2.1 EXTRACTORA LA SEXTA 4
2.2 ACEITE ROJO DE PALMA 5
2.2.1 EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA 6
2.3 PRODUCCIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN PROCESOS
INDUSTRIALES 8
2.3.1 AGUAS RESIDUALES 8
2.3.2 TIPOS 10
2.3.3 IMPORTANCIA 11
2.3.4 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES 12
2.4 BIORREMEDIACIÓN 13
2.4.1 USO DE INOCULANTES MICROBIANOS 15
2.5 BIOGÁS 16
2.6 BIODIGESTOR 18
2.6.1 TIPOS DE BIODIGESTORES 19
2.6.1.1 Biodigestor tipo continuo 19
2.6.1.2 Biodigestor tipo discontinuo 21
2.6.1.3 Biodigestor tipo semi continuo 22
2.6.2 MECANISMOS DE PRODUCCIÓN 22
2.6.3 PROCESO DE PRODUCCIÓN DE GAS METANO 24
2.6.4 RANGOS DE TEMPERATURA Y pH 26
ii
PÁGINA
3. METODOLOGÍA 28
3.1 IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE FERMENTACIÓN
ANAERÓBICA A ESCALA DE LABORATORIO 28
3.2 ANÁLISIS MICROBIOLÓGICOS 29
3.2.1 TOMA DE MUESTRAS 29
3.2.2 DILUCIONES SUCESIVAS 30
3.2.3 SIEMBRA EN PLACAS PETRIFILM 31
3.2.4 RECUENTOS TOTALES DE POBLACIONES MICROBIANAS 31
3.3 ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICOS 32
3.3.1 PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS 32
3.3.2 ANÁLISIS DE SÓLIDOS TOTALES 32
3.3.3 ANÁLISIS DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES 33
3.3.4 ANÁLISIS DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN 33
3.3.5 ANÁLISIS DE FÓSFORO 34
3.3.5.1 Expresión de resultados 36
3.3.6 MEDICIONES DE pH 36
3.4 ANÁLISIS ESTADÍSTICOS 36
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS 38
4.1 ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO DE CADA TRATAMIENTO 38
4.1.1 MOHOS 38
4.1.2 LEVADURAS 40
4.1.3 AEROBIOS 42
4.1.4 ANAEROBIOS 45
4.2 RESULTADOS DE ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS 47
4.2.1 pH 47
4.2.2 TEMPERATURA 48
4.2.3 SÓLIDOS TOTALES 50
4.2.4 SÓLIDOS SEDIMENTABLES 50
4.2.5 SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN 51
4.2.6 FÓSFORO 52
iii
PÁGINA
4.3 GENERACIÓN DE BIOGÁS 53
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 55
5.1 CONCLUSIONES 55
5.2 RECOMENDACIONES 56
BIBLIOGRAFÍA 57
ANEXOS 63
iv
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Composición química del biogás 17
Tabla 2. Factores determinantes en la producción de biogás 17
Tabla 3. Reacciones bioquímicas en la formación del biogás 25
Tabla 4. Tipos de fermentación 27
Tabla 5. Rango de valores de pH en la generación de BIOGÁS 27
Tabla 6. Condiciones de incubación 31
Tabla 7. Curva de calibración 35
Tabla 8. Resultados de los análisis microbiológicos de mohos. 39
Tabla 9. Recuento de los análisis microbiológicos de levaduras 42
Tabla 10. Recuentos de los análisis microbiológicos de aerobios. 44
Tabla 11. Resultados de los análisis microbiológicos de anaerobios. 45
Tabla 12. Valores diarios de pH 47
Tabla 13. Análisis Físico Químicos 49
v
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Extractora La Sexta 4
Figura 2. Diagrama Extracción de aceite. 7
Figura 3. Depuradora de aguas residuales 13
Figura 4. Biodigestor autolimpiable para tratamiento de aguas residuales 19
Figura 5. Biodigestor Continuo 20
Figura 6. Biodigestor Discontinuo 21
Figura 7. Funcionamiento del biodigestor 23
Figura 8. Reacción en el biodigestor 24
Figura 9. Producción de gas metano 26
Figura 10. Sistema de fermentación anaeróbica 28
Figura 11. Diluciones 30
Figura 12. Recuento de Mohos 38
Figura 13. Recuento de levaduras. 41
Figura 14. Recuento de aerobios 43
Figura 15. Recuentos de anaerobios 45
Figura 16. Registro de pH 48
Figura 17. Temperatura registrada 49
Figura 18. Porcentaje de sólidos totales. 50
Figura 19. Porcentaje de sólidos sedimentables. 51
Figura 20. Porcentaje de sólidos en suspensión. 52
Figura 21. Porcentaje de fósforo 53
Figura 22. Producción de biogás 54
vi
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
ANEXO 1.
DILUCIONES 64
ANEXO 2.
ESTERILIZACIÓN 65
ANEXO 3.
CÁMARA DE FLUJO LAMINAR 66
ANEXO 4.
RECUENTO MICROBIOLÓGICO 67
ANEXO 5.
RECUENTO DE MOHOS Y LEVADURAS 68
ANEXO 6.
RECUENTO DE AEROBIOS 69
ANEXO 7.
REPORTES DE TEMPERATURA Y pH 70
ANEXO 8.
CONTROL DE TEMPERATURA 72
ANEXO 9.
OBTENCIÓN FINAL DE BIOGÁS 73
ANEXO 10.
ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO 74
vii
RESUMEN
La generación de grandes cantidades de aguas residuales de naturaleza
industrial es un problema importante que debe gestionarse y tratarse de
forma adecuada. Actualmente, la mayoría de empresas, especialmente
aquellas enfocadas a la producción de bienes agroindustriales, buscan la
implementación de alternativas medio ambientales para el tratamiento de
estos desechos que no generen altos costos y a la vez brinden un doble
beneficio; una de esas alternativas es la generación de biogás a partir de
efluentes. Las empresas extractoras de aceite de palma generan volúmenes
altos de aguas residuales, por ello mediante la implementación de sistemas
para generación de biogás, se lograría estabilizar el agua para devolverla al
medio ambiente, obtener un tipo de biocombustible para generar energía y
finalmente se conseguiría procesar abono orgánico producto del lodo
residual de este proceso. En el presente trabajo de investigación se
implementó un sistema de fermentación anaerobia a escala de laboratorio y
se analizó la producción de biogás en muestras de las tres primeras piscinas
del sistema de tratamiento de aguas residuales de la Extractora la Sexta que
son producto del proceso de extracción de aceite (Piscina 1: Agua residual
recién salida de la extractora; 2: Agua residual con 15 días de reposo +
inóculo - condiciones aerobias ; 3: Agua residual con 30 días de reposo +
inóculo - condiciones anaerobias). Mediante recuentos microbiológicos en
placas petrifilm, se determinó la carga microbiana en relación a anaerobios,
aerobios mesófilos, mohos y levaduras en los días 0. 15 y 30 de
fermentación. Se realizaron además análisis físico químicos de las muestras
finales (sólidos totales, sedimentados, disueltos, porcentaje de fósforo, pH y
temperatura); el biogás generado fue recolectado en bolsas estériles. Una
vez realizados los recuentos microbiológicos se obtuvo que los valores más
altos correspondieron a las muestras obtenidas en la piscina 3; de igual
forma en estas mismas muestras se determino la mayor generación de
biogás que inició a los 15 días de fermentación. Se podrían atribuir estas
diferencias a la composición de materia orgánica que posee cada piscina, la
carga microbiana presente, la fase de crecimiento de los microorganismos,
las condiciones de tratamiento. Se encontraron diferencias significativas
entre los dos tratamientos evaluados comparados con el control.
viii
ABSTRACT
Throughout the time the sewage has been a problem that must be controlled
and against this, the different industries are choosing to implement
environmental alternatives that do not generate high maintenance costs and
also provide a double benefit. One of those alternatives is the generation of
biogas from industrial effluents. In this case water extraction process of red
palm oil, which is achieved with this is the stabilization the water get back to
the environment, the production of biogas to generate energy and finally get
organic manure from the sludge of this process. For this research project, it
has been taken samples of the first three pools treatment system from the
wastewater of the Sixth Puller that is the result of the oil extraction process.
Microbiological analyzes of samples from each treatment were conducted to
determine the microbial over 30 days of fermentation, this was carried out in
a system of biogas production in laboratory scale that is based on a design of
batch digester. For the microbiological count was used Petrifilm plates that
allowed to determinate the microbial population of molds, yeasts, aerobic and
anaerobios that was used for each treatment. Once the recounts were made
the reports reflect a log CFU/higher in treatment 2 ml and reaching a peak of
biogas production on day 15, dropping to 30th. Likewise the Control sample
reported the lowest values of log CFU/ml sometimes values starting from 0.
These differences are due to the composition of organic material that has
each pool, another factor is the microbial load, being the treatment sample 2,
the greatest load that had more time of fermentation is why significant
differences were obtained between one treatment and another. For physico-
chemical analysis of the sample the following parameters were evaluated:
total solids, settled, dissolved, phosphorus percentage, pH and temperature
being the last two of great importance to control the fermentation process
from the beginning to the end.
1. INTRODUCCIÓN
1
1. INTRODUCCIÓN
El biogás es un combustible que está compuesto por una mezcla de
metano, dióxido de carbono y porcentajes pequeños de otros gases. El
método más utilizado para la producción de biogás es la digestión
anaeróbica, esto se logra descomponiendo la materia orgánica mediante las
etapas de: hidrólisis, acidificación y metanización. La hidrólisis desintegra los
polímeros y lípidos en elementos básicos como monosacáridos y
aminoácidos, la acidificación forma ácidos simples y la metanización forma el
gas metano y dióxido de carbono (Schulz, 1996).
La producción de gas metano se realiza con residuos y efluentes que las
industrias aprovechan, los transforman en materia orgánica y los someten a
digestión anaerobia que es un proceso biológico natural en el que una
comunidad entrelazada de microorganismos que trabajan juntos para dar
inicio a una fermentación estable y autorregulada, aquí se degrada la
materia orgánica y se transforma en biogás (Scenna, 1999).
La estabilización o recuperación de efluentes industriales se realizan
mediante plantas de tratamiento de aguas residuales que son instalaciones
que reciben aguas servidas o utilizadas, ya sea del alcantarillado de una
ciudad o del proceso productivo de una fábrica para ser sometida a
recuperación. Para este proceso se toman en cuenta varios parámetros
como: Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO) y Demanda Química de
Oxígeno (DQO). Entre las aguas que se someten a tratamiento existen:
Aguas pluviales, que son aquellas que llegan a la superficie provocadas por
las precipitaciones atmosféricas (lluvia, nieve, granizo, otros) a las cuales se
les han incorporado contaminantes al atravesar la atmósfera y por el lavado
de superficies de terreno; Aguas blancas procedentes de la escorrentía
superficial y de drenajes; Aguas negras o urbanas recogidas en las
aglomeraciones urbanas procedentes de los vertidos de la actividad humana
doméstica o a la mezcla de estas con las procedentes de actividades
2
comerciales, industriales y agrarias; Aguas industriales que provienen de
actividades de manufactura y producción (química, farmacéutica, alimenticia,
agrícola) y Aguas agrarias procedentes de actividades agrícolas y ganaderas
(López, 1997).
Las aguas residuales del proceso de extracción de aceite rojo de palma
africana pueden ser aprovechadas para la producción de materia orgánica
para biodigestores y posteriormente utilizados como abono orgánico (León,
1987). En las piscinas de oxidación de las extractoras se suelen añadir
bacterias generadoras de gas metano, por lo general son del sustrato
comercial Feusol FOG. Las bacterias que se colocan en el interior de
biodigestores, piscinas o lagunas de estabilización deben ser cultivadas en
condiciones adecuadas ya que son los protagonistas de la fermentación, por
tanto no se obtiene el gas inmediatamente. Se debe esperar un tiempo
adecuado para que los microorganismos empiecen a producir biogás, esto
puede tardar cerca de 15 días (Elizondo, 2005).
En este tipo de procesos se obtiene un doble resultado: la descontaminación
de las aguas residuales (logrando cumplir y superar las normas
ambientales), y además se obtiene como subproducto el biogás que sirve
como energía alternativa para generar electricidad (Zapata, 1998).
Por lo general, en la mayoría de países latinoamericanos el gas metano ha
tenido un uso limitado en la cocción de alimentos y calefacción de granjas.
A pesar de esto, el uso de este gas viene proyectándose con fuerza en los
últimos años en la sustitución de combustibles fósiles y para la generación
de electricidad mediante generadores de energía eléctrica (Marchaim, 1992).
En el presente trabajo se analizaron las diferencias en relación a la carga
microbiológica y a la producción de biogás en tres etapas de tratamiento de
las aguas residuales de la extractora con el objeto de determinar en cuál de
ellas se obtiene los mejores rendimientos.
3
1.1. OBJETIVOS DE LA INVESTIGACIÓN
Los principales objetivos de la presente investigación son:
1.1.1. OBJETIVO GENERAL
Analizar la producción de biogás a partir de aguas residuales del proceso de
extracción del aceite rojo de palma en tres etapas de tratamiento.
1.1.2. OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Determinar en qué etapa de tratamiento de las aguas residuales de la
extractora La Sexta se obtienen mayores rendimientos en relación a
la generación de biogás.
Establecer la relación del recuento microbiológico (anaerobios,
aerobios, mohos y levaduras) con la producción de biogás en cada
tratamiento y cada etapa fermentativa.
2. MARCO TEÓRICO
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. EXTRACTORA LA SEXTA
EXTRACTORA LA SEXTA es una empresa dedicada a la extracción de
aceite rojo de palma africana, está ubicada en el recinto Simón Bolívar “La
Sexta” del Cantón Quinindé, Provincia de Esmeraldas, como se observa en
la Figura 1.
Figura 1. Extractora La Sexta
La primera empresa inicio sus actividades en el año 1971, con una
capacidad de extracción de 3 toneladas/hora. Con el pasar del tiempo su
capacidad de producción ha aumentado paulatinamente hasta alcanzar las
30 toneladas/hora. Sus actividades de exportación las realiza hacia varios
países a nivel mundial como: Colombia, Venezuela, Brasil, Holanda, Francia,
Canadá entre otros (Fedepalma y Cenipalma, 2010).
Su principal producto es el aceite rojo de palma.
5
2.2. ACEITE ROJO DE PALMA
Es un aceite de origen vegetal que se obtiene del mesocarpio de la fruta de
la palma Elaeis guineensis Jacq. Su uso industrial ha venido de la mano de
la extracción de aceite los frutos, aceite de palma de la parte carnosa, y
aceite de palmiste a partir de la semilla. La producción agrícola consiste en
la siembra de monocultivos, los frutos se obtienen pasados de 4 a 5 años
desde la plantación de la palma, y su mayor producción se alcanza entre los
20 y los 30 años. Los racimos, compuestos entre 1000 y 4000 frutos de 3 a
5cm de largo, oscilan entre 15 y 25 kilogramos. Estos frutos son procesados
principalmente para la obtención de estearina de palma que tiene usos
industriales (cosméticos, jabones, detergentes, velas, lubricantes) y oleína
de palma, de uso alimentario.
A nivel mundial, los mayores productores son Indonesia y Malasia que
conjuntamente reúnen más del 85% de las exportaciones de aceite rojo de
palma.
En América Latina los mayores productores son Ecuador y Colombia.
Ecuador es el segundo productor regional de aceite de palma con 280 mil
hectáreas sembradas. Estas tienen un crecimiento anual del 7% (García,
2000).
Debido a su composición física el aceite de palma puede ser utilizado en
diversas preparaciones sin necesidad de hidrogenarse, proceso mediante el
cual se forman los trans. Sus principales usos son culinarios especialmente
empleado como aceite de freír o aliñar, sirve para añadir a otros alimentos
como los helados, las margarinas, aceite de cacao, jabones, etc. Los aceites
de palma y palmiste sirven también para la fabricación de productos
oleoquímicos como los ácidos grasos, ésteres grasos, alcoholes grasos,
compuestos de nitrógeno graso y glicerol, elementos esenciales en la
producción de jabones, detergentes, lubricantes para pintura, barnices,
6
gomas y tinta. Es el tipo de aceite con más volumen de producción sólo
superado por el aceite de soja (Fedepalma y Cenipalma, 2010).
Otra aplicación muy importante que tiene el aceite de palma africana es la
de materia prima para la producción de biodiesel que es un biocombustible
líquido que se obtiene a partir de lípidos naturales como aceites vegetales o
grasas animales mediante procesos industriales de esterificación y
transesterificación y que se aplica en la preparación de sustitutos totales o
parciales del diésel obtenido del petróleo. El diésel vegetal, cuyas
propiedades son conocidas desde mediados del siglo XIX debido a los
trabajos de Rudolf Diésel, ya se destinaba a la combustión en motores de
ciclo diésel convencional o adaptados según el fabricante y por ello a
principios del siglo XXI en la búsqueda de nuevas fuentes de energía y la
creciente preocupación por el calentamiento global del planeta se impulsa su
desarrollo como combustible vehicular, alternativo al diésel oil derivado del
petróleo ( Figueroa de la Vega, 2008).
2.2.1. EXTRACCIÓN DE ACEITE DE PALMA
El proceso de extracción consiste en esterilizar la fruta, desgranarla,
macerarla, extraer el aceite de la pulpa, clarificarlo y recuperar las almendras
del bagazo resultante, dicho proceso se puede observar en la Figura 2. Se
extrae principalmente la porción pulposa de la fruta mediante varias
operaciones que se describen en el siguiente diagrama:
7
Figura 2. Diagrama Extracción de aceite.
Los residuos de la extracción son las nueces rotas y las cáscaras, es
necesario secar las semillas de la palma y colocarlas en las bolsas para su
almacenamiento y extracción posterior. De las almendras se obtienen dos
productos: el aceite y la torta de palmiste que sirve para alimentos animal, es
un balanceado utilizado para el engorde de cerdos y ganado vacuno. Al
fraccionar el aceite de palma se obtienen también dos productos: la oleína y
la estearina de palma (Garcés, 2000). La oleína es líquida y se puede
mezclar con cualquier aceite vegetal, la estearina es la fracción más sólida y
sirve para producir grasas, principalmente margarinas y jabones. El proceso
de extracción del aceite de palma produce grandes cantidades de
desperdicios sólidos, en la forma de hojas, racimos vacíos, fibras, cáscaras y
residuos. Los racimos contienen muchos alimentos recuperables,
normalmente las fibras, cáscaras y otros residuos sólidos se queman como
combustible, para producir vapor (Fedepalma y Cenipalma, 2010).
8
2.3. PRODUCCIÓN DE AGUAS RESIDUALES EN PROCESOS
INDUSTRIALES
2.3.1. AGUAS RESIDUALES
Las aguas residuales son aquellas que de una forma directa o indirecta han
sido contaminadas. La contaminación directa se da principalmente por su
utilización en diversas actividades y la contaminación indirecta se da por la
llegada a cuerpos receptores (río, lagos y otros) de aguas ya contaminadas.
Se considera como aguas residuales a los líquidos que han sido utilizados
en actividades diarias principalmente de ciudades, entiéndase estas
actividades como: domésticas, comerciales, industriales y de servicios
(Noyola, 1995).
El estado actual del tratamiento de aguas residuales, domésticas y
municipales en Ecuador es preocupante, solo algunos municipios poseen
tecnología básica pero no hay un adecuado tratamiento, no existe un
suficiente manejo de tecnologías aplicadas al tratamiento de desechos y
efluentes como: piscinas de oxidación, pantanos o lagunas artificiales de
estabilización, etc. Sin embargo se ha intentado adaptar normas en cuanto
a materia de descargas y tratamientos de aguas residuales ya que en
algunas ciudades no están bien reguladas o no existen, salvo contadas
excepciones una separación de aguas lluvias con aguas negras, algunas
empresas privadas sí realizan tratamientos de aguas pero más se debe a su
nivel de conciencia ya que las exigencias del mercado los han obligado a
responder a esos consumidores conscientes (Salazar, 1999).
Los efluentes de las industrias han sido una problemática que viene desde
hace muchos años atrás pero actualmente se controla y se exige más su
tratamiento en base al cumplimiento de normas medio ambientales. El
manejo de los efluentes provenientes de las plantas extractoras de aceite
rojo de palma se origina principalmente en Malasia por los años 70 debido a
la preocupación ambiental causada por el aumento del número de plantas
9
extractoras en este país. El problema se agravó ya que la cantidad de
efluentes que se enviaba a los ríos estaba aumentando y esto conducía al
agotamiento del oxígeno y por consiguiente destruía los sistemas vivos.
Inicialmente, estos efluentes se consideraban como un problema que debía
desecharse o evadirse, pero los estudios emprendidos desde entonces han
demostrado que constituyen un recurso aprovechable para las plantaciones
y viveros de palma africana, es así que se origina la tecnología de
biodigestores industriales que se aplican en la actualidad. La contaminación
que causan estos efluentes se mide en términos de la demanda bioquímica
de oxígeno (DBO), que significa, la cantidad de oxígeno requerido para que
la actividad bacteriana pueda oxidar toda la materia orgánica que contiene
dicho efluente. Y la DBO, demanda química de oxígeno (DQO), la cual se
mide con mayor facilidad y generalmente está presente en las mismas
proporciones (Wood, 1989).
El manejo de los efluentes que provienen de las plantas extractoras de
aceite rojo de palma, día a día va tomando mayor importancia, lo que se
está buscando es la optimización y una mayor utilización de éstos residuos
que pueden ser muy útiles sobre la misma plantación, de esta forma se
consigue generar un círculo de operaciones en donde los subproductos
desechados hacia el ambiente sean cada vez menos. Para realizar
tratamientos de efluentes se ha desarrollado sistemas alternativos que luego
de su implementación han demostrado buenos resultados aparte de que son
económicamente viables, los principales sistemas son: Piscinas de
oxidación, lagunas carpadas, biodigestores.
Las lagunas carpadas y los biodigestores permiten canalizar el biogás
producido en el proceso de descomposición de la materia orgánica, esto da
la posibilidad de inyectarlo a las plantas eléctricas y calderos de las
extractoras para generar energía y disminuir el consumo de combustible.
Otro beneficio del tratamiento de efluentes son los lodos residuales ya que
poseen características nutricionales que los hacen atractivos para utilizarlos
sobre las plantaciones y viveros como abono orgánico (Petitpierre, 1983).
10
2.3.2. TIPOS
De acuerdo a Moreno (1997), las aguas residuales se las clasifica según su
origen:
Aguas Residuales Municipales. Este tipo de aguas son residuos
líquidos transportados por el alcantarillado de una ciudad o población
y son tratados en una planta de tratamiento municipal.
Aguas Residuales Industriales. Son aguas residuales que provienen
de las descargas de industrias de manufactura.
Borzacconi (1994) indica que también pueden ser clasificadas según el
contenido de contaminantes:
Aguas negras. Son aquellas que provienen de servicios higiénicos
(inodoro), es decir, aquellas aguas que transportan excrementos
humanos y orina, contienen una alta cantidad de contaminantes,
perjudiciales para la salud por ser ricas en sólidos suspendidos,
nitrógeno y coliformes fecales.
Aguas grises. Son aquellas que provienen de tinas, duchas,
lavamanos y lavadoras. Estas aguas contienen sólidos suspendidos,
fosfatos, grasas y coliformes fecales, también se las conoce con el
nombre de aguas residuales domésticas.
Aguas negras industriales. Se conoce como aguas negras industriales
a la mezcla de las aguas negras de una industria en combinación con
las aguas residuales de sus procesos productivos. Los contaminantes
provenientes de la producción están en función del proceso industrial,
y tienen la mayoría de ellos efectos nocivos a la salud si no existe un
control de la descarga.
11
2.3.3. IMPORTANCIA
La contaminación ambiental constituye actualmente una de las mayores
preocupaciones a nivel mundial. La contaminación a gran escala que
generan las industrias mediante sus efluentes se ha ido controlando y
regulando en los últimos años, a partir de la década de los 70 se vienen
implementando sistemas de tratamiento de aguas residuales ya que las
normas ambientales exigen que el agua que se toma de la naturaleza para
cualquier proceso industrial debe ser devuelta de igual manera, es decir libre
de contaminantes que puedan atentar contra el medio ambiente. Se viene
trabajando mediante organismos reguladores que dan alternativas
medioambientales para optimizar los desechos y efluentes generados por las
industrias, de esta forma se logra aprovechar la mayor cantidad de materia
prima y desechos generados durante un proceso industrial. Los residuos
orgánicos de las industrias pueden ser utilizados como materia prima de la
cual se logra extraer energía. Aquí es donde se pone en práctica las
alternativas y tratamientos medio ambientales mediante la aplicación de
biodigestores que son sistemas generadores de Biogás, esta es una
alternativa cuyo funcionamiento provee energía (Schulz H, 1996).
La degradación de la materia orgánica presente en las aguas residuales, se
puede realizar en varias etapas pasando de un biodigestor a otro o mediante
varias piscinas de oxidación, de esta forma el agua residual va recuperando
su pureza y puede ser devuelta al medio ambiente sin causar mayor impacto
ambiental (Bowkett, A. 1989).
Otra alternativa que se está poniendo en práctica es la biorremediación que
trata principalmente contaminantes como, lodos aceitosos, lodos de
perforación, hidrocarburos totales del petróleo. Esta es una tecnología que
por lo general es aplicada para recuperación de suelos contaminados por
hidrocarburos. En la actualidad se ha incrementado su aplicación en las
actividades industriales debido a que es un proceso sencillo, es una
12
tecnología efectiva y en cuanto a costos estos son relativamente bajos en
comparación a la tecnología físico química (Saval, 1998).
2.3.4. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES
Las piscinas de oxidación o lagunas de estabilización son unos de los
procesos más eficientes que existen para el tratamiento de aguas residuales
domésticas, urbanas e industriales. La principal vía de manejo de residuos
orgánicos líquidos o semisólidos es la digestión anaeróbica que presenta
varias ventajas sobre los procesos tradicionales.
No se requiere de energía externa para su realización.
Da lugar a la producción de lodos que pueden ser usados como
abonos ricos en fertilizantes.
Se produce gas metano útil para generar energía eléctrica (Moreno,
1997).
Estos parámetros la convierten en una tecnología sustentable para la
construcción de un modelo de desarrollo medioambiental (Noyola,
1995).
Esta tecnología que se lleva a cabo mediante reactores anaeróbicos, se
empezó a desarrollar al inicio de los años 70, luego de diez años se empezó
a generalizar su uso. El avance tecnológico que superó su aplicación
tradicional fue la de fosas sépticas que se convirtió posteriormente en
biodigestores ya sea sobre soportes inertes en la superficie o mediante la
formación de bolsas o tanques que se colocan bajo tierra para sedimentar
lodos y degradar la materia orgánica del efluente (Guardado, 1990).
Como se detalla en la Figura 3 para la depuración de aguas residuales se
utiliza un sistema secuencial de tanques ( biodigestores) o piscinas, en el
tanque de tratamiento biológico se realiza la purificación anaerobia del agua,
aquí se trabaja bajo condiciones libres de oxígeno, esto da paso a la
13
generación de biogás que puede ser utilizado con finalidades energéticas
para procesos productivos, esto hace que la digestión anaerobia resulte
muy favorable económicamente permitiendo en muchos casos la
autosuficiencia de las plantas de tratamiento. Depurar el agua significa
eliminar de esta todas las impurezas contaminantes y microorganismos
patógenos (Switzenbaum, 1995).
Figura 3. Depuradora de aguas residuales
(Saval, 1998)
2.4. BIORREMEDIACIÓN
La biorremediación describe una variedad de sistemas de tratamientos que
utilizan organismos vivos ya sean (plantas, hongos, bacterias) para extraer,
remover o degradar compuestos orgánicos tóxicos que contienen los suelos
o aguas residuales y convertirlos en productos metabólicos menos tóxicos o
inocuos para el medio ambiente (Van Deuren, 1997).
La biorremediación es una tecnología que apareció en los últimos años
como una alternativa tecnológica que se utiliza básicamente para la limpieza
14
de suelos y acuíferos contaminados, se basa en aprovechar el potencial de
los microorganismos para mineralizar o transformar contaminantes orgánicos
en compuestos químicamente más sencillos es decir menos tóxicos. La
biorremediación es la mejor opción para la limpieza de sitios contaminados
desde el punto de vista económico y ambiental, así de esta forma se
garantiza que el agua que se toma de ríos, lagos y vertientes para procesos
productivos puedan ser devueltos al medio ambiente luego de ser utilizadas
y respectivamente tratadas (Saval, 1997).
En cuanto a los microorganismos que se utilizan en el proceso de
biorremediación, estos pueden ser propios del sitio (autóctonos) o ajenos a
este (exógenos) y llevarse a cabo en condiciones aerobias o anaerobias.
Una gran ventaja que tiene la biorremediación es que puede realizarse en el
mismo lugar donde se genera el compuesto orgánico a degradar. Es
importante recalcar que aunque no todos los compuestos orgánicos que
poseen las aguas residuales son susceptibles a la biodegradación, los
procesos de biorremediación han sido utilizados con éxito para aplicar
tratamientos en suelos, lodos y sedimentos contaminados por hidrocarburos
totales del petróleo. Además de esto se aplica satisfactoriamente en
industrias que generan desechos de pesticidas, residuos alimenticios e
hidrocarburos (Eweis, Ergan & Chang, 1998).
La aplicación de tecnologías de biorremediación para el tratamiento de sitios
contaminados es relativamente innovador y presenta varias ventajas en
relación a los métodos físico químicos que se ha venido utilizando
tradicionalmente a través de la historia (Yánez, 1993).
Entre las ventajas de la biorremediación se destacan: Los bajos costos de
instalación y operación de los sistemas a implementar, además de esto es
una tecnología simple y de fácil aplicación en la industria. La biorremediación
es un tratamiento seguro con un mínimo de riesgo para la salud de quienes
la ponen en práctica, es tecnológicamente muy efectiva y es altamente
15
rentable ya que en cuanto a los costos se pueden llegar a reducir en un 65%
y 80% en comparación con los métodos físico químicos (Van Deuren, 1997).
2.4.1. USO DE INOCULANTES MICROBIANOS
El uso de inoculantes se aplica para que sean estos microorganismos los
encargados de realizar la degradación de materia orgánica, ya sea en
condiciones aerobias o anaerobias. Un inoculante es un concentrado
comercial de bacterias específicas y micronutrientes que aplicado
convenientemente al efluente a tratar empiezan a generar una fermentación
y posterior degradación de materia orgánica sólida y semisólida. Su empleo
es una práctica reconocida en las industrias por sus beneficios ambientales y
económicos, a tal punto que desde hace algunas décadas se lleva a cabo
como una de las principales alternativas para descontaminar y reciclar aguas
servidas de procesos de manufactura, es a esto a lo que se llama
tratamiento de aguas residuales mediante piscinas de oxidación con
inoculantes microbianos (Saval, 1997).
Inoculante comercial FEUSOL: En las piscinas de oxidación de las
extractoras se suelen añadir bacterias generadoras de gas metano, por lo
general son del sustrato comercial Feusol FOG, esta es una formulación a
base de bacterias metanógenas: como Arquea metanógena y
micronutrientes específicos que se utiliza en industrias alimenticias para
depurar aguas residuales y desechos generados en los procesos
productivos.
Las arqueas metanógenas son microorganismos procariotas que se
reproducen en medios anaerobios, no toleran ni siquiera una breve
exposición al oxígeno y obtienen su energía a través de la producción de
gas metano (Lengeler, 1999).
16
Las ARQUEAS son un grupo extenso de bacterias que producen metano
como parte de su metabolismo. Comprende las clases: Methanobacteria,
Methanococci, Methanomicrobia y Methanopyri. Este tipo de bacterias se
encuentran extensamente distribuidos en: pantanos, humedales, lagos,
sedimentos, fuentes hidrotermales, aguas residuales de industrias, rumen de
mamíferos y en el intestino de insectos tales como termitas y cucarachas
(Jácome ,1990). Las bacterias METANÓGENAS son consideradas como un
grupo filogenéticamente heterogéneo en donde el factor común que las une
es la producción de gas metano. Debido a esta característica esta clase de
microorganismos son de gran importancia para el medio ambiente ya que
intervienen directamente en la degradación de materia y desechos orgánicos
(Colmenares, 1987).
2.5. BIOGÁS
El biogás en un gas compuesto por metano y dióxido de carbono, tiene
mínimas proporciones de otros gases como el hidrógeno, nitrógeno, oxígeno
y sulfuro de hidrógeno, estos valores se los puede observar en la Tabla1. Es
un poco más liviano que el aire, posee una temperatura de inflamación de
700oC y su llama alcanza una temperatura de 870 oC” (Guardado, 2010).
Este es un gas producido por bacterias durante un proceso de
biodegradación de materia orgánica en condiciones de total anaerobiosis.
La generación de biogás es una parte importante del ciclo biogeoquímico del
carbono. El metano que producen las bacterias es el último eslabón en una
cadena de microorganismos que degradan materia orgánica y devuelven los
productos de la descomposición al medio ambiente (Mandujano, 1981).
17
Tabla 1. Composición química del biogás
Elemento %
Metano (CH4) 50-70
Dióxido de carbono (CO2) 30-50
Nitrógeno (N2) 0.5-3
Ácido sulfhídrico (H2S) 0.1-1
Vapor de agua Trazas
(Guardado, 2010)
Según Guardado (2010) el gas que se obtiene de la descomposición en un
ambiente anaerobio de residuos orgánicos como el estiércol animal o
desechos vegetales posee varias utilidades como: iluminación, cocción de
alimentos, generación de energía y combustible. A continuación, en la Tabla
2, se muestran los factores que permiten la obtención del biogás.
Tabla 2. Factores determinantes en la producción de biogás
SUSTRATO PROCESO DIGESTOR
Composición Temperatura Condiciones
* Existencia de bacterias formadoras de metano
* Concentración * Anaeróbicas
* Tiempo de permanencia del sustrato en el Biodigestor
* Dimensionamiento
* Valor de pH * Diseño
* Mezclado e intensidad del agitado
BACTERIAS - PROCESO DE FERMENTACIÓN
CANTIDAD DE BIOGAS CALIDAD DE BIOGAS
(Infantes, 2006)
18
2.6. BIODIGESTOR
El biodigestor es un recinto cerrado donde se producen reacciones
anaeróbicas; es decir sin oxígeno, aquí se degrada la materia orgánica
disuelta en un medio acuoso para dar como resultado metano, dióxido de
carbono, trazas de hidrógeno y ácido sulfhídrico.
Los microorganismos que se encuentran en su interior deben ser cultivados
en condiciones adecuadas ya que son los protagonistas de la fermentación,
por tanto no se obtiene el gas inmediatamente. Se debe esperar el tiempo
necesario para que los microorganismos empiecen a producir metano, esto
puede tardar cerca de 15 días. La producción se ve afectada por la
temperatura exterior, por tanto si se quiere que un biodigestor produzca
cantidades constantes de biogás se lo debe colocar bajo tierra para que la
temperatura se mantenga en unos 18 grados centígrados (Elizondo, 2005).
Como se muestra en la Figura 4 el tanque de preferencia debe ser de color
negro o azul si es que no está bajo tierra para así aumentar y mantener la
temperatura de fermentación (Domínguez, 2010).
19
Figura 4. Biodigestor autolimpiable para tratamiento de aguas residuales
(Domínguez, 2010)
2.6.1. TIPOS DE BIODIGESTORES
La instalación destinada a la producción y captación del biogás recibe el
nombre de planta de biogás o biodigestor. Existen múltiples diseños y
formas, en función de su tamaño, materia prima que se emplea, materiales
de construcción con que se construye, etc. Su variedad es tal que los
modelos existentes se adaptan prácticamente a todas las necesidades y
variantes que se deseen, en cuanto a volumen, materiales empleados y
residuales orgánicos que se deben tratar (Guardado, 2010).
Existen tres Sistemas generales de biodigestores:
Biodigestor de tipo continuo
Biodigestor de tipo discontinuo
Biodigestor de tipo semicontinuo
2.6.1.1. Biodigestor tipo continuo
Son los más adecuados para implementar en granjas con animales ya que
se les da mantenimiento regularmente, el diseño continuo es el más común y
20
apropiado para instalaciones pequeñas ya que no requiere de conocimiento
especializado ni maquinaria grande. Este modelo de equipos posee una
válvula de entrada, una válvula de descarga y una válvula que sirve para
recargarlo periódicamente, a continuación se detalla que función tiene cada
una de estas:
Una válvula central que es cerrada después de hacer la carga inicial y
es abierta únicamente para limpiar el biodigestor al realizar la
descarga total.
La segunda válvula se usa para cargarlo diariamente en cantidades
pequeñas con biomasa nueva.
Y la tercera válvula la cual permite sacar el bioabono periódicamente,
es decir, los residuos sólidos que resultan de la fermentación.
La Figura 5 muestra cómo está conformado un biodigestor de tipo continuo.
El diseño de este biodigestor es apropiado para ser cargado con materiales
blandos tales como: estiércol, aguas residuales y material orgánico vegetal.
(Viñas, 1994).
Figura 5. Biodigestor Continuo
(Cose, 2007)
21
2.6.1.2. Biodigestor tipo discontinuo
Este biodigestor tiene solamente una válvula de acceso por donde se carga
y se descarga. Se carga una sola vez para ser llenado y posteriormente
usado, debido a esto la fermentación dura un tiempo de entre 2 y 4 meses
dependiendo de la temperatura a la que se encuentre expuesto y se
descarga por completo únicamente cuando concluye la fermentación.
Aunque si es posible emplear este diseño a pequeña escala su
implementación es más común en industrias que generan volúmenes
elevados de efluentes y desechos. En este tipo de biodigestores se cambia
toda la biomasa cuando se termine el biogás que se genera (López, 2010).
En la Figura 6 se muestra como se instala un biodigestor discontinuo.
Figura 6. Biodigestor Discontinuo
(Murillo, 2008)
22
2.6.1.3. Biodigestor tipo semi continuo
Este tipo de biodigestores se cargan en lapsos cortos de tiempo, por ejemplo
cada 12 horas, 1 vez al día o cada 2 días. Su funcionamiento es similar al
del modelo continuo, debido a esto se cargan periódicamente solo cuando la
disponibilidad de materia orgánica es constante.
El biodigestor semicontinuo se utiliza por lo general con fines sanitarios para
procesar desechos y materia orgánica más que para producción de biogás
debido a esto se carga únicamente cada cierto tiempo (Monterroso, 2011).
2.6.2. MECANISMOS DE PRODUCCIÓN
El gas metano se obtiene principalmente con desechos orgánicos
sometiéndolos a fermentación en medios anaerobios, se llega a producir una
reacción por medio de bacterias que cooperan en conjunto para degradar la
materia y transformarla en gas metano, para esto se debe adecuar un medio
propicio para que se produzca esta reacción. Lo más común es la
adecuación o construcción de biodigestores que van desde tamaños a
escala hasta verdaderas obras de la ingeniería para producciones
tecnificadas de biogás a escala industrial (Martí, 2008).
A continuación en la Figura 7 se muestran algunos tipos de materia orgánica
que se puede utilizar para llevar a cabo la producción de gas metano.
23
Figura 7. Funcionamiento del biodigestor
(Escudero, 2011)
Los biodigestores poseen un agitador que tiene la función de impedir que en
la superficie del sustrato se forme una capa (nata), ya que si esto ocurre
detiene la fermentación y anula el trabajo de las bacterias, esto se debe a
que la capa de la superficie impide que las bacterias continúen degradando
la materia orgánica y por consecuente mueren por falta de alimento. Aparte
del agitador, en la parte superior se coloca la válvula de salida para el gas
metano que se aprovecha para la producción de energía eléctrica con la
ayuda de un generador. La salida del biodigestor sirve para descargar
constantemente la materia orgánica que ingresa una vez que ya está
convertida en efluente fermentado es decir que ya cumplió con producir gas
metano, este residuo se saca del biodigestor y se lo utiliza como abono
orgánico para cualquier cultivo (Escudero, 2011).
A la materia orgánica fermentada agotada se la conoce con el nombre de
bioabono, que es un abono rico en nutrientes fertilizantes para suelos áridos
y poco productivos. Como se ve en la Figura 8 se detallan los resultados de
24
la reacción que ocurre en el biodigestor, otros lo aprovechan para el
funcionamiento de cocinas y calderos (Verastegui, 1980).
Figura 8. Reacción en el biodigestor
(Sebastián, 2009)
2.6.3. PROCESO DE PRODUCCIÓN DE GAS METANO
El proceso de fermentación para la producción de gas metano se compone
de dos fases principales:
Fase ácida o hidrolítica.
Fase metanogénica.
En la Tabla 3 se detallan los componentes que intervienen en cada etapa.
En la primera etapa se forman los aminoácidos, ácidos grasos y alcoholes a
partir de las proteínas, grasas e hidratos de carbono disueltos en el residual.
En la segunda etapa se forman el metano, el dióxido de carbono y el
amoníaco, entre otros (Infantes, 2006).
25
Tabla 3. Reacciones bioquímicas en la formación del biogás
FASES COMPONENTES ORGÁNICOS
Moléculas macro
FASE HIDROLÍTICA Carbohidratos, grasas y proteínas
Moléculas micro
Azúcares simples, ácidos grasos y aminoácidos
Ácido carbónico, ácido orgánico, alcoholes y dióxido de carbono
FASE METANOGÉNICA Ácido acético, hidrógeno, dióxido de
carbono, metanol (Formación de gas
metano) Biogás
Metano y dióxido de carbono (Infantes, 2006)
En la Figura 9 se muestra el procedimiento para llevar a cabo la producción
de gas metano. Las flechas hacia arriba que van por la válvula de salida
representan el gas obtenido. Los tubos curvos que están a los costados
ayudan a mezclar el contenido del tanque para que no se forme una capa
sólida que puede ahogar a las bacterias. Atados a esta soga van de 3 a 5
envases llenos hasta la mitad con arena que ayudan a batir la mezcla
(Romero, 2002)
26
Figura 9. Producción de gas metano
(Romero, 2002)
A = representa el tanque donde se va a digerir la mezcla de agua del
proceso en la extractora.
B y C = representan el tubo de entrada y el tubo de salida respectivamente.
El tubo de entrada debe entrar el tanque cerca del fondo, y el tubo de salida
debe entrar el tanque justo por debajo de la primera fila de bloques de
cemento.
D y E = representan la pila de carga y la pila de descarga respectivamente.
2.6.4. RANGOS DE TEMPERATURA Y pH
En la Tabla 4 se muestran los rangos de temperatura que debe tener un
biodigestor para la producción del gas metano, las temperaturas van de
acuerdo al tipo de fermentación que se realice. El tiempo de fermentación es
el que determina a que tipo pertenece. Las condiciones climáticas de la zona
donde se adapte el biodigestor serán las que determinen que tiempo de
27
fermentación se llevara a cabo; en temperaturas de 4 a 30 ºC se requiere de
100 días de fermentación, de 15 a 45 ºC se requieren entre 30 y 60 días y de
25 a 80 ºC se requieren de 10 a 15 días al aumentar la temperatura
disminuyen los días de fermentación, es decir que a mayor temperatura más
rápido se obtiene el gas metano (Romero, 2002).
Tabla 4. Tipos de fermentación
Fermentación Mínimo
(ºC) Óptimo
(ºC) Máximo
(ºC) Tiempo de
fermentación
Psycrophílica 4 a 10 15 a 18 25 a 30 Arriba de 100 días
Mesophílica 15 a 20 28 a 33 35 a 45 30 a 60 días
Thermophílica 25 a 45 50 a 60 75 a 80 10 a 15 días (Infantes, 2006)
En la Tabla 5 se muestran los valores adecuados de pH para la
fermentación.
Un valor de pH 7 a 7.2 indica una producción óptima de gas metano, en
casos de pH 6.2 y 7.6 se dan retardos por presencia de ácidos y amonios
respectivamente; esto ocurre debido al exceso de materia orgánica dentro
del biodigestor, precisamente para controlar esto se calcula la capacidad
buffer, cuando sucede esto lo más adecuado es restablecer el pH alrededor
de 7 utilizando una solución lechada de cal (Infantes, 2006).
Tabla 5. Rango de valores de pH en la generación de BIOGÁS
VALOR DE pH CARACTERÍSTICAS
7 a 7.2 ÓPTIMO
Menor de 6.2 Retardo por ácidos
Mayor de 7.6 Retardo por amonios (Infantes, 2006)
3. METODOLOGÍA
28
3. METODOLOGÍA
3.1. IMPLEMENTACIÓN DE UN SISTEMA DE FERMENTACIÓN
ANAERÓBICA A ESCALA DE LABORATORIO
El sistema de fermentación anaeróbica puede ser observado en la Figura 10,
el cual fue armado en el laboratorio de Microbiología de la Universidad
Tecnológica Equinoccial, con los siguientes materiales:
Erlenmeyers con pinza de Mohr.
Termómetros de 0 a 150º C.
Mangueras para salida de gases.
tapones de caucho para Erlenmeyer.
Bolsas quirúrgicas estériles para recolección del gas.
Parafilm.
Figura 10. Sistema de fermentación anaeróbica
Una vez colocadas las muestras en los erlenmeyers, se le inserto los
tapones de caucho que tenían ya instalados una manguera para salida de
29
gases y un termómetro para medir la temperatura periódicamente; para
asegurar el no ingreso de oxígeno en el sistema se selló con parafilm.
Una vez listas las muestras se conectó la bolsa para la recolección de gases
a la manguera que salía de cada tapón, de igual forma se selló con parafilm
el área de conexión para evitar que ingrese oxígeno. Se instaló un foco de
80V que paso encendido durante los 30 días, con la finalidad de mantener
una temperatura constante entre 29º C - 31º C.
3.2. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICOS
Las evidencias de los análisis microbiológicos realizados a las muestras del
presente trabajo de investigación se detallan en los anexos 4, 5 y 6.
3.2.1. TOMA DE MUESTRAS
Se tomaron muestras de las tres primeras piscinas de oxidación de la
extractora, a las cuales se las llamó:
Control: Agua residual recién salida de la extractora.
Tratamiento 1: Agua residual con 15 días de reposo + inóculo (en
condiciones aerobias)
Tratamiento 2: Agua residual con 30 días de reposo + inoculo
(condiciones anaerobias)
Las muestras fueron tomadas del centro de las piscinas en todos los casos y
fueron transportadas en condiciones de refrigeración al laboratorio de
Microbiología de la Universidad Tecnológica Equinoccial. Las tres muestras
tomadas se colocaron en frascos estériles y se rotularon para preparar las
diluciones de cada una y realizar las siembras y el posterior recuento
microbiológico.
30
3.2.2. DILUCIONES SUCESIVAS
Para realizar los análisis microbiológicos se realizaron diluciones sucesivas
según la norma técnica ecuatoriana INEN 1 529-2 (1999), como se puede
observar en la Figura 11, bajo el siguiente procedimiento:
1. Cada frasco contenía 90 ml de agua peptonada estéril y aquí se
añadió 10 ml de la muestra a sembrar. Esta fue la dilución 10⁻¹ y se
puede observar en los Anexos 1 y 2.
2. Con la ayuda de una micropipeta se tomó una alícuota de 1ml de la
dilución 10⁻¹ y se colocó en un tubo con 9ml de agua peptonada,
posteriormente se utilizó un vortex (homogenizador) entre 5 y 10
segundos, de esta manera se realizó la dilución 10⁻².
3. Se repitió el procedimiento, se tomó con la micropipeta una alícuota
de 1 ml de la dilución 10⁻² se colocó en el siguiente tubo de ensayo y
se llevó al vortex, esta fue la dilución 10⁻³ luego se hizo lo mismo para
preparar la dilución 10⁻⁴ y 10⁻⁵ (Ahmed & Carlstrom, 2006).
Figura 11. Diluciones
31
3.2.3. SIEMBRA EN PLACAS PETRIFILM
El proceso de siembra se realizó en una cámara de flujo laminar como se
observa en el Anexo 3, esto garantizó la esterilidad total y se siguió la
metodología detallada por el Manual NISSUI PHARMACEUTICAL CO., LTD.
Para la siembra se utilizaron 3 diluciones por cada muestra, se tomó con la
micropipeta 1ml de cada dilución, se colocó en el centro de la placa Petri, se
cerró y se rotuló, así se realizó la siembra para aerobios, anaerobios, mohos
y levaduras respectivamente. Una vez finalizada la siembra se invirtieron las
placas y se llevaron a incubación según las condiciones requeridas para
cada tipo de microorganismo tal como se detalla en la Tabla 6.
Tabla 6. Condiciones de incubación
Microorganismo Condiciones de
incubación Medio de Cultivo
Aeróbios Mesófilos
37º C de 24 a 48 horas
Standard Methods Agar
Mohos y Levaduras
25º C de 3 a 5 días Potato Dextrose Agar
Anaerobios 35 a 37º C de 72 a 96
horas Agar sangre anaerobio, feniletil alcohol agar
(Jawetz, 2002)
3.2.4. RECUENTOS TOTALES DE POBLACIONES MICROBIANAS
Una vez finalizado el tiempo de incubación, de las placas sembradas, se
procedió a realizar el recuento de colonias para determinar la población
microbiana obtenida tal como se observa en el Anexo 4, para esto se trabajó
con la metodología detallada por Ahmed & Carlstrom (2006). Para realizar el
recuento en placas se utilizó una lupa para mejorar la visibilidad de las
colonias y un lápiz marcador para señalar las colonias que ya fueron
32
contabilizadas y evitar confusiones, una vez finalizado el recuento de cada
placa los resultados del recuento fueron expresados como unidades
formadoras de colonias por unidad de volumen (UFC/ml) y fueron calculadas
mediante la Ecuación 1 que se detalla a continuación.
[1]
3.3. ANÁLISIS FÍSICO-QUÍMICOS
Los análisis físico-químicos fueron realizados en el laboratorio de Análisis
Químico y de Alimentos AGROLAB como se muestra en el Anexo 10, el cual
se encuentra ubicado en la ciudad de Santo Domingo de los Tsáchilas y
posee una acreditación otorgada por el Organismo de Acreditación
Ecuatoriano (OAE) en el año 2004. A continuación se describen los
protocolos utilizados por este laboratorio.
3.3.1. PREPARACIÓN DE LAS MUESTRAS
Inmediatamente las muestras llegaron al laboratorio fueron homogenizadas
mediante agitación para tomar el volumen específico para cada análisis. Se
siguió la metodología detallada por las Normas EPA (Environmental
Protection Agency).
3.3.2. ANÁLISIS DE SÓLIDOS TOTALES
Se calentó un crisol limpio a 103º C – 105º C durante una hora y se lo
conservó en un desecador. Se transfirió un volumen de muestra de agua
residual de 200 ml bien mezclado al crisol previamente pesado y se evaporó
hasta que se seque en un horno de secado. Se secó la muestra evaporada
durante una hora en un horno a 103º C – 105º C. Se enfrió el crisol en un
33
desecador para equilibrar la temperatura y se pesó en una balanza analítica
(EPA, 2010).
En la Ecuación 2 se observan los cálculos efectuados.
[2]
Donde:
A = Peso del residuo seco más crisol en mg.
B = Peso del crisol en mg.
Vol. (ml) = Volumen de Muestra (ml de la muestra).
3.3.3. ANÁLISIS DE SÓLIDOS SEDIMENTABLES
Se tomó un volumen de cada muestra que fue previamente homogeneizada
por agitación, luego se introdujo en un cono Inhoff. Se dejó decantar la
muestra durante una hora y se anotó el volumen de precipitado obtenido
(EPA, 2010). El contenido en sólidos sedimentables se calcula a partir de la
Ecuación 3, que se encuentra a continuación:
[3]
Donde:
V: volumen de muestra utilizado en litros.
V’: volumen del precipitado formado en el cono Inhoff en ml.
3.3.4. ANÁLISIS DE SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN
Se tomó un filtro de análisis de sólidos y se lo colocó en un crisol de
porcelana.
Se los introdujo en una estufa a 105º C durante dos horas. Una vez pasadas
las dos horas se sacó el filtro con el crisol de porcelana y se enfrió en el
desecador.
El filtro con el crisol una vez enfriado se pesó hasta conseguir un peso
constante. Se agitó la muestra y se filtró un volumen conocido (V) de la
34
misma, utilizando para ello un equipo de filtración al vacío, constituido por un
matraz de recepción del líquido filtrado, un porta filtros para colocar el filtro y
un embudo de filtración donde se adicionó la muestra. Una vez filtrada la
muestra se recogió el filtro y se colocó en el crisol de porcelana. El filtro
utilizado anteriormente fue secado a 105º C durante 1 hora. Posteriormente
se dejó enfriar en el desecador y se pesó, hasta conseguir peso constante.
Si el depósito sobre el filtro es inferior a 2.5 mg/l se filtrará un volumen mayor
(EPA, 2010).
El contenido en sólidos en suspensión se calculó a partir de la siguiente
expresión:
[4]
Donde
Pd: peso del filtro-vidrio después de evaporar el agua, en mg.
Pa: peso del filtro-vidrio antes de añadir la muestra, en mg.
V: volumen de muestra utilizado, en litros.
3.3.5. ANÁLISIS DE FÓSFORO
Se utilizó el Método del Azul de Molibdeno, para ello se prepararon
inicialmente cada una de las soluciones utilizándose como control negativo
muestras de agua destilada. Se transfirió una alícuota de muestra de 100
cm³ a un vaso de precipitados de 200 cm³ de forma alta y se agregó 1 cm³
de ácido sulfúrico concentrado y 5 cm³ de ácido nítrico concentrado. Se
calentó hasta eliminar vapores nitrosos y se dejó enfriar. Se adicionó
aproximadamente 20 cm³ de agua, una gota de fenolftaleína. Se neutralizó
con hidróxido de sodio 6 N hasta obtener un ligero color rosa tenue.
Finalmente se filtró y se aforó a 100 cm³ con agua.
Se adicionó 4.0 cm³ de la solución de molibdato de amonio y se agitó para
homogeneizar. Se añadió 10 gotas de cloruro estanoso I, se homogeneizó y
35
se dejó reposar. Se midió la absorbancia de la muestra después de 10
minutos y antes de 12, usando el testigo para ajustar el espectrofotómetro a
cero. Se tomó de la solución patrón de 5.0 μg de P/cm³, alícuotas de
acuerdo con la Tabla 7.
Tabla 7. Curva de calibración
Volumen de solución patrón cm³
μg P
5 25
10 50
15 75
20 100
25 125
30 150
35 175
40 200 (EPA, 2010)
Se elaboró la curva de la calibración correspondiente graficando las lecturas
de absorbancia en el eje de las abscisas contra las concentraciones de P en
mg, en el eje de las ordenadas. Una vez que se efectuó la digestión se tomó
una alícuota de 40 cm³ de muestra y se llevó a 40 cm³ con agua. Se
transfirió a un embudo de separación de 500 cm³ y se agregó 50 cm³ de
solución benceno alcohol isopropílico. Se agregó 15cm³ de la solución de
molibdato de amonio II, se agitó durante 15 segundos y se dejó reposar
durante 10 minutos. Una vez separadas las capas acuosas y orgánicas se
drenó la capa acuosa. Se tomó 25 cm³ de la capa orgánica y se transfirió a
un matraz aforado de 50 cm³. Se agregó aproximadamente 15 cm³ de
solución alcohólica - ácida y diez gotas de la solución de cloruro estanoso II.
Se diluyó hasta el aforo con solución alcohólica - ácida y se dejó desarrollar
el color azul. Se midió en el espectrofotómetro la absorbancia después de 15
minutos a una longitud de onda de 625 nm. Se leyó en una curva de
calibración hecha con las soluciones patrón, las cuales se fueron sometidas
a una extracción (EPA, 2010).
36
3.3.5.1. Expresión de resultados
El contenido de fósforo presente en la muestra se calcula mediante la
Ecuación 5:
[5]
Donde:
C= μg de fósforo leída en la gráfica
V= volumen de la alícuota tomada para la determinación, en cm3.
La diferencia entre los resultados obtenidos en pruebas efectuadas por
duplicado no debe exceder de ± 1.0 mg/dm³ en caso contrario, se
recomienda repetir la determinación.
3.3.6. MEDICIONES DE pH
Durante todo el ensayo se midió el pH mediante un potenciómetro de campo
cada cinco días a partir de 40ml de muestra.
Para medir el pH final de la muestra se colocó un volumen significativo de
muestra en un vaso de precipitación de 100 ml, se procedió a medir el pH de
cada tratamiento utilizando un potenciómetro OMEGA por inmersión del
electrodo en la muestra y se anotó la lectura.
3.4. ANÁLISIS ESTADÍSTICOS
Para el análisis de los resultados se trabajó con un diseño experimental
multifactorial A x B, siendo A el tipo de tratamiento y B el tiempo de
fermentación. Se utilizó el software estadístico InfoStat (Student Version).
Los análisis fueron realizados por tratamiento (Control, Tratamiento 1 y
Tratamiento 2) y por cada recuento microbiológico (Mohos, Levaduras,
37
Aerobios y Anaerobios); los datos fueron analizados mediante una prueba de
TUKEY.
Se realizó una comparación entre las 3 muestras y, se midió la influencia del
tipo de tratamiento y los días de fermentación sobre la cantidad de
microorganismos presentes.
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
38
4. ANÁLISIS DE RESULTADOS
4.1. ANÁLISIS MICROBIOLÓGICO DE CADA TRATAMIENTO
Una vez finalizados los análisis microbiológicos se obtuvieron diferentes
resultados para cada tipo de Tratamiento (Control, tratamiento 1 y
tratamiento 2) en relación a los recuentos totales de mohos, levaduras,
aerobios y anaerobios. La cuantificación de este tipo de microorganismos es
muy importante ya que indica cómo se lleva a cabo el proceso fermentativo y
la posterior formación de biogás. En los Anexos 5 y 6 se muestran los
detalles de los recuentos totales de microorganismos realizados a cada
muestra.
4.1.1. MOHOS
En relación al recuento de mohos todos los tratamientos presentaron un
comportamiento diferente a lo largo de los días de fermentación como se
observa en la Figura 12 y la Tabla 8.
Diferencia de Tukey = 0.39420
Figura 12. Recuento de Mohos
39
Tabla 8. Resultados de los análisis microbiológicos de mohos.
Tratamientos Día de
evaluación log UFC / ml
Control
0 2.62 ± 0.46
15 4.67 ± 0.14
30 4.34 ± 0.09
Tratamiento 1
0 0
15 5.57 ± 0.22
30 6.53 ± 0.30
Tratamiento 2
0 2.53 ± 0.33
15 5.38 ± 0.18
30 2.27 ± 0.03
Para la muestra Control, en el día 0 se reportó un recuento microbiológico
de 2.63 log UFC/ml que fue significativamente diferente a los datos
obtenidos en los días 15 y 30 donde se obtuvieron valores similares 4.67 log
UFC/ml y 4.35 log UFC/ml respectivamente.
Para el tratamiento 1, en el día 0 se reportó un valor igual a 0 log UFC/ml,
según Fedepalma y Cenipalma (2010) es normal obtener un reporte de
recuento microbiológico de valor 0 log UFC/ml debido a que este tratamiento
es de agua residual en reposo a la espera de pasar a la fase de
fermentación por lo que en ocasiones es nula la presencia de ciertos
microorganismos. Para los días 15 y 30 se obtuvieron valores de 5.57 log
UFC/ml y 6.54 log UFC/ml respectivamente sin diferencias significativas
entre sí, lo que indica que el crecimiento de microorganismos (mohos) iba
aumentando conforme aumentaban los días de fermentación. Es importante
aclarar también que la técnica de recuento en placa no es muy sensible para
40
análisis de muestras con carga microbiana muy baja (Montville, Matthews &
Kniel, 2012).
En el tratamiento 2, se obtuvo valores similares en el día 0 y día 30, se
reportó 2.54 log UFC/ml y 2.28 log UFC/ml respectivamente, no hubo
diferencias significativas entre sí, a diferencia del día 15 donde se obtuvo un
valor alto en relación a los anteriores, 5.39 log UFC/ml lo que indica que
para este tratamiento la proliferación de mohos alcanzan su pico más alto en
el medio de la fermentación y conforme avanzan los días vuelve a decaer
como en la fase inicial (Rivas, 1978).
4.1.2. LEVADURAS
Tanto para el control como para los dos tratamientos se reportaron
recuentos iniciales considerables (mayores a 3.5 log UFC/ml) de levaduras
por lo que se asume que su presencia es muy común en este tipo de aguas
residuales por la cantidad de materia orgánica que poseen.
Las levaduras poseen una gran capacidad de realizar fermentaciones en
carbohidratos, son abundantes en la naturaleza y se las puede encontrar
fácilmente en el suelo o en las plantas. Para su cultivo se utilizan medios con
azucares, compuestos nitrogenados, agua y sales minerales (Arenas, 1993).
Para el recuento de levaduras, los análisis estadísticos revelaron que, para
la muestra control, el valor obtenido en el día 0 (3.63 log UFC/ml) fue
significativamente diferente comparado con los días 15 y 30 en los que se
reportaron valores de 4.63 log UFC/ml y 5.23 log UFC/ml respectivamente y
no presentaron diferencia estadística entre sí, esto se detalla en la Figura 13.
Este comportamiento se justifica por el hecho de que las aguas residuales
de procesos industriales sometidas a recuentos microbiológicos suelen
presentar baja carga microbiana en sus primeros días debido a que recién
se está empezando a conformar una población microbiana capaz de llevar a
41
cabo una fermentación que ocasiona una degradación de materia orgánica
(Conil, 1989).
Diferencia de Tukey = 0.28704
Figura 13. Recuento de levaduras.
En el tratamiento 1, se obtuvieron valores de 2.28 log UFC/ml en el día 0
manteniendo una diferencia significativa con los días 15 y 30 que reportaron
4.84 log UFC/ml y 4.74 log UFC/ml respectivamente sin diferencias
estadísticas entre sí, esto indica que el crecimiento de levaduras fue
aumentando y del día 15 en adelante se mantuvo un crecimiento constante
hasta empezar a decrecer hasta llegar al día 30.
En el tratamiento 2 se obtuvo valores de 2.25 log UFC/ml en el día 0
mostrando diferencias significativas con los días 15 y 30 debido a que al
aumentar los días de experimentación aumento considerablemente el
crecimiento microbiano hasta empezar a decrecer al final de la fermentación,
vale recalcar que este tratamiento es el que mayor carga de
microorganismos posee. Para el día 15 se obtuvo valores de 5.14 log
UFC/ml manteniendo diferencias estadísticas con el día 30 en lo que se
presentó un valor de 4.33 log UFC/ml, esto puede ser observado en la Tabla
9. La razón por la cual el valor del día 30 decrece se debe a que los
42
erlenmeyers en los cuales se realizó el experimento fueron basados en un
diseño de biodigestor discontinuo, es decir que se carga una sola vez y
cuando ya se obtuvo el biogás su carga microbiana empieza descender
hasta morir por falta de nutrientes, es decir materia orgánica en calidad de
efluente (Mandujano, 1981).
Tabla 9. Recuento de los análisis microbiológicos de levaduras
Tratamientos Día de
evaluación log UFC / ml
Control
0 3.62 ± 0.21
15 4.62 ± 0.21
30 5.23 ± 0.32
Tratamiento 1
0 2.27 ± 0.03
15 4.84 ± 0.08
30 4.73 ± 0.23
Tratamiento 2
0 2.25 ± 0.07
15 5.13 ± 0.13
30 4.33 ± 0.01
4.1.3. AEROBIOS
Para los recuentos en aerobios para la muestra Control se reportó un valor
de 2.04 log UFC/ml en el día 0; 4.58 log UFC/ml en el día 15 y 1.25 log
UFC/ml en el día 30, como se observa en la Figura 14, lo que indica
claramente que existen diferencias significativas entre los datos inicial y final
con relación al dato intermedio del día 15, es decir que en el día 15 se dio el
pico más alto en cuanto a proliferación microbiana de aerobios, según
Garcés (2000), estos picos de producción máxima en la mitad de la
43
fermentación se deben a que es aquí donde se ha consolidado una
adecuada producción de biogás y los microorganismos degradan cada vez
más materia orgánica quedando menos conforme pasan los días, por lo que
al llegar al final (día 30) disminuye el crecimiento microbiano por falta de
alimento. Es debido a esto que en lagunas carpadas (lagunas de
estabilización) se realizan cargas constantes de efluentes industriales para
producción de biogás, la frecuencia con la que se debe añadir más efluente
se controla mediante el cálculo de la capacidad buffer lo que indica si es o
no adecuado cargar nuevamente la laguna, se controla este parámetro
debido a que los microorganismos que se encuentran en su interior pueden
morir por falta de alimento o colapsar por exceso del mismo paralizando por
completo la fermentación (Fundación Hábitat, 2005).
Diferencia de Tukey = 0.41924
Figura 14. Recuento de aerobios
Para el tratamiento 1 se obtuvo valores de 4.06 log UFC/ml para el día 0 sin
mantener diferencias significativas con el día 15 que tuvo valores de 5.17 log
UFC/ml siendo este el pico más alto de proliferación microbiana, para el día
30 se obtuvo un valor de 2.42 log UFC/ml manteniendo diferencias
estadísticas con los días 0 y 15. Como ya se explicó anteriormente en el día
44
30 se nota como disminuye la población microbiana debido a que en los días
finales del experimento ya ha sido degradada la mayor cantidad de materia
orgánica, es decir ya se obtuvo el biogás esperado.
En el tratamiento 2, se presentaron los siguientes valores: 4.35 log UFC/ml
para el día 0, 4.58 log UFC/ml para el día 15 y 2.82 log UFC/ml en el día 30
lo que indica que entre los días 0 y 15 no existe una diferencia significativa,
aquí la población microbiana de aerobios es alta, conforme pasan los días
de fermentación la materia orgánica disminuye y la carga microbiana
empieza a desaparecer y eso se refleja en el valor del día 30 que es
estadísticamente diferente a los días 15 y 30. En la Tabla 10 se detallan los
resultados reportados.
Tabla 10. Recuentos de los análisis microbiológicos de aerobios.
Tratamientos Día de
evaluación Aerobios (log UFC / ml)
Control
0 2.03 ± 0.05
15 4.57± 0.28
30 1.25 ± 0.07
Tratamiento 1
0 4.05 ± 0.07
15 5.17 ± 0.08
30 2.42 ± 0.59
Tratamiento 2
0 4.35 ± 0.38
15 4.57 ± 0.03
30 2.82 ± 0.05
45
4.1.4. ANAEROBIOS
Tanto en la Figura 15 como en la Tabla 11 se observa el recuento
microbiológico de Anaerobios reportados.
Diferencia de Tukey = 0.44961
Figura 15. Recuentos de anaerobios
Tabla 11. Resultados de los análisis microbiológicos de anaerobios.
Tratamientos Día de
evaluación Anaerobios (log UFC / ml)
Control
0 0
15 5.56 ± 0.47
30 2.75 ± 0.02
Tratamiento 1
0 0
15 6.59 ± 0.12
30 5.43 ± 0.36
Tratamiento 2
0 4.43 ± 0.33
15 4.53 ± 0.46
30 4.24 ± 0.05
46
En la muestra Control para el día 0 se obtuvo un valor de 0 log UFC/ml, en el
día 15 un valor de 5.56 log UFC/ml y en el día 30 un valor de 2.76 log
UFC/ml lo que indica que los días 1 y 30 mantienen diferencias significativas
con el día 15, donde se llegó a la máxima proliferación microbiana de
anaerobios. Según indica Moreno (1988) cuando en un biodigestor, laguna
de estabilización o piscina carpadas se registran los datos máximos de
presencia de anaerobios es aquí donde ocurre la mayor producción de
biogás ya que los microorganismos están degradando al máximo la materia
orgánica que se encuentra en su interior y así permanecerá mientras la
capacidad buffer indique la frecuencia de una nueva alimentación de
efluente, caso contrario los microorganismos finalizan su trabajo y su
población empieza a decrecer hasta ser nula por falta de nutrientes.
Para la muestra de tratamiento 1, los análisis estadísticos dieron como
resultado los siguientes valores, 0 UFC/ml en el día 0, manteniendo una
diferencia significativa con el día 15 donde la presencia de anaerobios llegó
a un valor de 6.59 log UFC/ml y en el día 30 decreció levemente reportando
un valor de 5.44 log UFC/ml sin tener diferencias estadísticas entre sí.
En el tratamiento 2 se reportó un valor de 4.44 log UFC/ml para el día 0,
4.53 log UFC/ml para el día 15 y 4.24 log UFC/ml para el día 30, estos
valores no tuvieron diferencias significativas entre sí, lo que indica que el
crecimiento de microorganismos se dio de forma paralela del día 0 al día 30,
vale indicar que este tratamiento es el que mayor carga microbiana tenia
debido a que las muestras fueron tomadas de la tercera piscina, donde llega
efluente de la extractora que ya está siendo degradado por bacterias.
47
4.2. RESULTADOS DE ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICOS
4.2.1. pH
Las muestras tanto del control como de los dos tratamientos presentaron
valores de pH ácidos (3.3 – 4.8) al iniciar el proceso, sin embargo una vez
que transcurrió la fermentación para todos los casos presentaron valores
superiores a 7, como se observa en la Tabla 12. Según Infantes (2006) la
producción óptima de biogás se da en valores de pH 7 a 7.2 y en valores de
pH inferiores a 6.2 o superiores a 7.6 pueden ocurrir retardos en la
fermentación causados por ácidos y amonios respectivamente.
Pese a que en el control se presentó un comportamiento similar en relación
al pH de las muestras, como se observa en la Figura 16, no se generó
biogás posiblemente porque esto no solo depende de este parámetro, sino
de la carga microbiana total.
Tabla 12. Valores diarios de pH
MUESTRA Día 0 Día 5 Día 10 Día 15 Día 20 Día 25 Día 30
Control 4.8 4.31 4.97 6.97 7.13 7.31 7.36
Tratamiento 1 3.39 3.46 4.66 7.1 6.15 6.91 7.13
Tratamiento 2 4.41 3.31 5.01 7.03 6.85 7.01 7.43
48
Figura 16. Registro de pH
4.2.2. TEMPERATURA
Tanto las muestras control como las de los tratamientos presentaron a lo
largo de los 30 días de ensayo una temperatura constante entre los 29ºC y
31ºC, estas mediciones se detallan en los Anexos 7 y 8. Según Romero
(2002) a mayor temperatura más rápido se obtiene el biogás y a
temperaturas que van de 25ºC a 80ºC se requieren de 10 a 15 días para
iniciar una fermentación anaeróbica. En la Figura 17 se detallan los valores
de temperatura que se obtuvieron durante los 30 días de experimentación.
49
Figura 17. Temperatura registrada
En la Tabla 13 se registran los valores obtenidos del análisis físico químico
para las tres muestras.
Tabla 13. Análisis Físico Químicos
PARÁMETROS M - 470 M - 471 M - 472
Sólidos en suspensión 0.29 0.22 0.085
Sólidos totales 6.81 7.07 6.3
Sólidos sedimentables 6.12 6.4 6.15
Fósforo total 0.4 0.38 0.45
pH inicial 7.21 6.72 8.14
pH final 7.36 7.13 7.43
50
4.2.3. SÓLIDOS TOTALES
Como se observa en la Figura 18, la muestra correspondiente al tratamiento
2 fue la que presentó los valores más bajos de sólidos totales comparados
con el control y el tratamiento 1, posiblemente debido a la presencia masiva
de microorganismos degradadores de forma inicial que condujo a la rápida
degradación de la materia orgánica presente en el agua residual. Según
Metcalf & Eddy (1985) los valores normales para aguas residuales
municipales en cuanto a sólidos totales están entre 0.85% y 0.95% y los
valores obtenidos en los análisis de laboratorio reportaron valores más altos,
esto se puede deber a la concentración de lodos que poseen las piscinas de
estabilización para efluentes de las cuales fueron tomadas las muestras.
Figura 18. Porcentaje de sólidos totales.
4.2.4. SÓLIDOS SEDIMENTABLES
Los análisis para sólidos sedimentables reportaron los siguientes valores:
6.12 para la muestra de control, 6.40 en el tratamiento 1 y 6.15 para el
tratamiento 2. Valores que se detallan en la Figura 19. Los valores normales
51
para aguas residuales municipales en cuanto a sólidos sedimentables están
en 3%, sin embargo, para las aguas de efluentes industriales este valor
tiende a aumentar debido a la composición de desechos que estas poseen
(Brenes, 2002). En los análisis realizados esto se vio reflejado con valores
que llegaron al doble de lo normal para aguas municipales.
Figura 19. Porcentaje de sólidos sedimentables.
4.2.5. SÓLIDOS EN SUSPENSIÓN
En la Figura 20 se puede observar los análisis sobre sólidos en suspensión y
se obtuvo los siguientes valores: 0.29 para la muestra de control, 0.22 en el
tratamiento 1 y 0.085 para el tratamiento 2.
Los sólidos en suspensión se encuentran en valores de 0.35% para aguas
residuales municipales (Metcalf & Eddy, 1985). Estos valores son superiores
a los obtenidos en las muestras de cada tratamiento que se analizó, esto
puede ser debido a la degradación de materia que realizaron los
microorganismos durante los 30 días de experimentación.
52
Figura 20. Porcentaje de sólidos en suspensión.
4.2.6. FÓSFORO
Para los análisis sobre porcentaje de fósforo se reportaron los siguientes
valores: 0.40 para la muestra Control, 0.38 para el tratamiento 1 y 0.45 en el
tratamiento 2, dichos valores se observan en la Figura 21. El fósforo es un
componente del agua residual importante para los microorganismos. Junto
con el nitrógeno son elementos esenciales para el crecimiento bacteriano, en
el agua residual de efluentes municipales el fósforo se encuentra en un valor
de 0.15% (Brenes, 2002).
En los análisis de las muestras se obtuvo valores superiores debido a la
composición de los efluentes de las piscinas de oxidación que poseían
concentraciones altas de fósforo en los lodos residuales del fondo de cada
una de estas debido a los procesos de fermentación que se llevó a cabo
anteriormente.
53
Figura 21. Porcentaje de fósforo
4.3. GENERACIÓN DE BIOGÁS
Una vez transcurridos 30 días de fermentación anaerobia, se reportó para
los dos tratamientos un volumen cuantificable de biogás como se observa en
el Anexo 9 y los resultados reportados se los puede observar en la Figura
22.
Las muestras correspondientes al tratamiento 2 fueron las que generaron
mayor cantidad (724.4 cm³/250 ml agua residual) comparadas con el
tratamiento 1 cuyo valor promedio fue (456.8 cm³/250 ml agua residual);
para la muestra Control en ninguna de las réplicas se generó un volumen
detectable de biogás.
Según Señer (2005), los efluentes que contienen restos de alimentos, grasas
y basura orgánica pueden producir biogás en una cantidad estimada de 170
m³ por cada 100 litros de efluentes y desechos; es decir 17 000 cm³ de
biogás por cada 100.000 ml de agua y desechos. Esta cantidad está basada
en experimentaciones con residuos orgánicos alimenticios y basura, no
54
exactamente con efluentes de residuos de palma africana ya que su
aplicación en la generación de biogás aún no se ha popularizado como si se
lo ha hecho con la basura orgánica y el estiércol vacuno, porcino y avícola,
especialmente en granjas que mediante estos generan energía, es por esta
razón que no se tiene datos exactos en cuanto a obtención de biogás a partir
de efluentes de palma africana.
Figura 22. Producción de biogás
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
55
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES
5.1. CONCLUSIONES
Los análisis microbiológicos de las muestras que presentaron menor
carga microbiana a lo largo de los 30 días de fermentación fueron las
correspondiente al Control, esto se debe posiblemente a que esta
piscina contiene agua que sale del proceso de esterilización de la
fruta y posee un nivel bajo de microorganismos.
La muestra del tratamiento 2 es la que mayor carga microbiana
reportó a lo largo del proceso, esto se debe a que estas muestras
proceden de la tercera piscina de tratamiento con 30 días de reposo
que permitieron una mejor adaptación y activación de los
microorganismos degradadores de la materia orgánica que se vio
reflejado en los recuentos, en esta piscina ya se ha consolidado la
fermentación.
El en el tratamiento 2 se obtuvo la mayor generación de biogás con
724.4cm3/ 250 ml de agua residual. Este resultado refleja la
efectividad de la fermentación anaerobia para la generación de biogás
en este tipo de sustrato.
Lo ocurrido en cada fase se vio reflejado en los recuentos
microbiológicos de cada tratamiento, las muestra del día 0 se
identificaron con la fase de latencia y fase exponencial, las muestras
del día 15 se caracterizaron por encontrarse en la fase estacionaria y
las muestras de del día 30 estuvieron relacionadas con la fase de
muerte donde la población microbiana fue cada vez menor.
En el análisis de temperatura y pH se logró cumplir con los rangos
requeridos para llevar a cabo una fermentación anaerobia sin
56
problemas, se logró mantener un pH entre 6 y 7 durante el proceso y
la temperatura fue controlada para mantenerla constante en un
promedio de 30ºC durante los 30 días de experimentación.
5.2. RECOMENDACIONES
Estudiar alternativas medio ambientales para ser aplicadas en el
tratamiento de desechos industriales, de esta forma se contribuye en
gran parte a disminuir la contaminación ambiental causada por
efluentes sin ningún tipo de tratamiento que se deberían llevar a cabo
mediante piscinas de oxidación.
Realizar un estudio a escala piloto mediante un biodigestor diseñado
en función de los volúmenes generados por la extractora.
Realizar estudios de cinética microbiana para las aguas tratadas bajo
condiciones anaerobias para definir detalladamente las curvas de
crecimiento de los microorganismos presentes y por ende determinar
el tiempo máximo de producción de biogás.
6. BIBLIOGRAFÍA
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ANEXOS
64
ANEXO 1
DILUCIONES
65
ANEXO 2
ESTERILIZACIÓN
66
ANEXO 3
CÁMARA DE FLUJO LAMINAR
67
ANEXO 4
RECUENTO MICROBIOLÓGICO
68
ANEXO 5
RECUENTO DE MOHOS Y LEVADURAS
69
ANEXO 6
RECUENTO DE AEROBIOS
70
ANEXO 7
REPORTES DE TEMPERATURA Y pH
71
72
ANEXO 8
CONTROL DE TEMPERATURA
73
ANEXO 9
OBTENCIÓN FINAL DE BIOGÁS
74
ANEXO 10
ANÁLISIS FÍSICO QUÍMICO