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UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEI.ยกALA FACULTAD DE INGENIERTA ESCUELA DE INGENIERIA QUIMICA
ยกNGENIERO QUIMICO
bT Guotemolo, iunio de 1982
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JUNTA DIRECTIVA DE LA ** ?.\r)# --r L *r ( üFÉFACULTAD DE tNGENtERtA DE LA ' UNIVERSIDAD DE SAN CARLOS DE GUATEMALA
DECANO:
lNG.
PRIMERO: DR. VOCAL SEGUNDO: ING. VOCAL TERCERO: ING.
VOCAL
BR. BR.
VOCAL CUARTO: VOCAL QUINTO:
SECRETARIO:
CESAR FERNANDEZ
BERNARDO MORALES HERBERT MIRANDA
CESAR OSORIO IZAGUIRRE
MARIO JACOBS LIMA
HUGO BOSQUE MORALES ING. MANUEL DE JESUS CASTELLANOS
TRIBUNAL QUE PRACT]CO EL EXAMEN GENERAL PRIVADO
DECANO:
ING. CESAR FERNANDEZ EXAM¡NADOR: lNG. ALBINO LO?EZ EXAMINADOR: ING. OSCAR ARR]OLA EXAMINADOR: lNG. FEDERICO SALAZAR SECRETARIO: lNG. I\4ANUEL DE JESUS CASTELLANOS
AGRADECIMIENTO
Quiero ogrodecer o todos los personos que he conocido en lo vido yo que todos ellos, en moyor o menor grodo, hon contribuido ccnl mi formoci贸n. En formo muy especiol o mis podres: lng. Enrique Yurrifo y Kety cie Yurrito, o Alessondro Gollio, ol lng. Corlos Jocobsthol, ol Licenciodo Roberto de Le茅n y ol lng. Froncisco Colzodo, A todos ellos muchos grocios.
CONTENIDO Pógino
l.
SUMARIO
2,
INTRODUCCION
3.
ASPECTOS GENERALES
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.ó 4.
Concepfo de biogos Aerobiosis y onoerobiosis Etopc fundonrenfoles de to fermentoción snoeróbico Confroles necesorios en uno fermenfoción onoéróbico Toxicidod e inhibición Bioquíaico de lo fermentoción onqerébico
I 3
5
5 6
7 8
I
t0
ANTECEDENTES
t5
4.1 4.2
t5
4.3
Fermentoción en uno vrs. dos etopos Troboflos reolizodos con sub-p.odrctos de
cofé Digesfores empleodos en,lo fermentoción onoeróbico
Ió
l8
5.
OBJETIVOS
23
6.
METODOTOGIA
25
6.1 6.2
25 25
Substroto empleodo Condiciones de operoción
贸.3
Eguipo empleodo ' efectuodos
, ."-.6.4 An贸lisis 7N
,RESULTADOS OBTENIDOS
7.1 7.2 7.3 9.
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Presentoci贸n de rezulfodos Resultodos
Discusi贸n de rezultodos''/,-
RECOMENDACIONES
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I.
SUAAARIO
En el presente troboio de tesis se pretende determinor el comportomiento generol del iugo de pulpo de cofé como subsfroto de uno fermentoción onoeróbico rópido. Poro estudior odecuodomente el proceso de fermentoción metonogénico, se troboió con un sistemo constituido por dos etopos: lo ocidogénico, formodo por un digestor de I litro de copocidod y operodo o condiciones fiios (35oC y 0.5 díos de tiernpo de residencio hidróulico), y lo metonogénico, constitui do por un reoctor de 4 litros de copocidod y operodo o condT ciones voriobles de tiempo de residencio (35oC e iniciolmente o l0 díos). Disminuyendo sucesivomente lo residencio hidróulico del fermenfodor mefonogénico se llegó o estoblecer que o 8 dÍos se obfenÍo lo moyor producfividod promedio de biogos: I .27 vol. biogos/vol. digestor-dío (73o/o mefono y 27o/o dióxido de corbono), que o otros tiempos experimentodos.
Se concluyó que
el iugo de pulpo
de
to odecuodo poro desorrollor fermentociones po descritos en este trobo[o.
cofé es un
substro
onoeróbicos
del tj
2,'INTRODUCCION Se ho colculodo que lo vido de lo reservo octuol mundiol de corbón es de I I I oñosr que Io det gos nofurol es de 22 oños y lo del pefróleo 20 onos 0 ). Nuástro sociedod se
ho corocterizodo por el consumo de fodos los recursos energéficos no renovobles y ho generodo uno serie de residuos q u e por su volumen se convierfen en grondes contominontes s i no son frotodos previomente. Lo digesfión onoeróbico ho sido co menzodo o reconocer como uno de los formos mós económico] de controlor lo confominoción proveniente de desperdicios industrioles y ogrícolos, no sólo porque el moferiol contominonte es seporodo del desperdicio, sino tombién porque se producen subsfoncios de olto confenido energético. Desde el inicio de to crisis energéfico mundiol hqn opo recido un sinnúmero de publicociones y reporfes en revistos in ternocionoles y se hon llevodo o cobo muchos troboios y sim: posios sobre biogos. Sin emborgo, existe muy poco informoción occesible sobre lo optimizoción del proceso por medio de un moneio odecuodo del bioreocfor en que ocurre lo metonizo ción.
En los últimos ocho oños, Guotemolo ho fenido uno produccién onuol promedio de 3.3 millones de qui.ntoles de cofé oro (2), lo que significo que ho generodo 2.2 millonesde quln tqles de pulpo de cofé (lo pulpo represenfo oproximodor"ntE vn 40o/o del peso del cofé cerezo) (3). Si esto pulpo no es trafodo eficientemente poro un uso posterior, yo seo como com buslible (7rB), fertilizonte (9, l0) o como olimento poro oni: moles (l I), se convierte en un contominonfe, odemós de desperdiciorse el confenido energético potenciol que posee.
3
Alvorez (4) expone un método eficoz poro lo obtención de un ferfilizonte orgánico o porfir de pulpo de cofé previomenfe prensodo, desechondo otro contominonfe como es el iugo de lo pulpo del cofé, que represento entre el 34 y el 57o/" (3) .del peso.de lo pulpo fresco. Por su porte, De León (5) .llego o lo coniluiión que en lo fermentoción onoeróbico de los derivodos del beneficiodo del cofé, lo pulpo fresco entero resulto ser un substrofo efectivo oún cuondo se froboio o u n tiempo de refención hidróulico de ó0 dÍos. Sin emborgo, este tiempo de residencio es excesivomente lorgo poro fines de d!seño de u.no unidod que troboie en formo continuo o semicontinu o.
Anolizondo todos estos circunstoncios se pensó en oprovechor el iugo de lo pulpo de cofé en uno fermentoción onoeróbico rópido, trotondo de reducir lo mós posible el tiempo de refención hidróulico y pretendiendo meioror lo . producción de biogos.
4
3. 3.
ASPECTOS GENERALES
I
Concepto'de biogcs
Lo fermentoción onoeróbico se refiere o lb hobilidod de ciertos closes de microorgonismos poro crecer en u n número de diferentes compuestos orgónicos en ousencio de oxígeno. Lo digestión metonogénico formo porte d e los fermentociones onoerébicos en donde los compuestos orgónicos son convertidos ol finol de! proceso en metono y dióxido de corbono. A esto mezclo se goses se le conoce con el nombre de biogos, que generolmente exis te en uno proporción de 60 o 70/o de metono y de 40 o 30% de dióxido de corbono (ó), Históricomente, este t-i po de digestión ho sido empleodo poro el frotomiento de vorios desperdicios lÍquidos y su función ho sido primordiolmenfe lo reducción del potenciol contominonfe de los mismos, lo generoción de combustibles goseosos y lo pro ducción de obonos orgónicos.
El miembro mós'simple de lo fomilio de los olconos y por ende, uno de los mós simples de los compuestos or gónicos es el metono, constituÍdo por un corbono y cuotro hidrógenos. Entre sus corocterísticos mós importontes enconfromos que su color de combustión es de 89lrót8 ioule/mol, que es un compuesto no polor, con punto de fusión de -l83oC y punto de ebullición de -lól.5oC, es incoloro y cuondo se licúo es menos denso que e I osuo (12). Von Brokel (13) nos relofo lo historio completo de todos los logros olconzodos con metono desde su descubrimiento ho3to lo fecho octuol.
3.2
Aerobiosis y onoerobiosis Los plontos verdes son copoces de empleor lo energÍo solor en formo directo poro sintetizor sus moréculos compleios o portir del dióxido de corbono otmosférico. Por lo generol, los bocferios no lo pueden hocer y tienen que ser copoces de romper los moterioles compleios provenientes de plontos y onimoles, poro extroer, tonfo lo energÍo de los enloces rotos en los molécuros como el corbono necesorio poro su crecimiento celulor.
,
cuondo los sisfemos bocterionos degrodon moléculos eompleios toles como celuloso (polÍmero de glucoso), lo primero etopo consiste en romper los lozos de los unida des que conformon el polÍmero; esto es generolmente hE cho por enzimos que los bocferios liberon ol medio esp6 cíficomenfe poro efectuor este trobo[o. No es sino hos] to que los bocterios ohsorben los unidodes que hon sido liberodos, cuondo ellos puederr comenzor o romperlos mós poro obtener lo energío que contiene lo esfructuro y poro utilizor los frogmentos en lo construcciónde molécu los orgónicos, entre los cuoles se encuenfron los ácido! grosos (orincipolmenfe ócido ocético). Es precisome n te en este punto donde los bocterios oeróbicos se diferencion de los onoeróbicos, los primeros son copoces de de grodor los ócidos grosos poro obiener energío y dióxido de corbono empleondo el oxígeno otmosférico, mienfros que los segundos desechon ol medio ócido o"át¡"o por corecer de los medios suficientes poro poder degrodorlo; sin emborgo, existe un grupo de bocferio, ono"róbicos, los mefonogénicos, que utilizon el ocefoto poro lo formoción de metono y dióxido de corbono. Debido o que los bocferios onoeróbicos pueden obte
ner sólo üno porte de lo energÍo totol disponible en ro glucoso, ellos son menos eficilntes qr" lo, b o c t e r ío s oerébicos. corno resultodo, los onoeróbicos crecen y se multiplicon sólo en condiciones óptimos y en formo mós lento que los oeróbicos y lo confidod de moferiol cerulor que producen es menor, fon sólo un I0 o 20o/o del corbono que se digiere (ló).
3.3
Efopos fundomentoles
de lo fermentoción onoeróbico
El trotqmiento onoeróbico de moferioles orgónicos
compleios puede considerorse in su formo mós simple como un proceso de tres etopos (1, 13, 14, lS):
o,
Hidrólisis: microorgonismos onoeróbicos (principolmente bocterios celulolít,icos) octúon sobre los polí meros orgónicos. Lo reocción es uno hidrólisis mótico del polÍmero o monómeros individuoles. "n=T
b.
ócidos: esto etopo incluye lo fermen toción de los productos finoles de lo primero etopi o ócidos orgónicos. Los bocferios que llevon o cobo esfe poso son los formodoros de ócidos que pueden ser onoeróbicos esfricios o focuhotivos. los cuo les son de sumo importoncio, no sélo porqr" ocondT cionon el olimento de los productoros de metonol sino porque tombién remueven los trozos de oxígeno Formoción de
disuelto que puede quedor en el moferioJ oigónico. En esto etopo se produce princípotmente ócido océti co y otros ócidos volótiles toles como propiónico ! butÍrico y, simultóneomenfe, son liberoáos diéxido de corbono e hidrégeno.
c.
Producción de rnefono: El ócido ocético es el principol substroto poro un grupo de bocterios estrictomente onoeróbicos, Ios metonogénicos. Estos bocterios fermenton el ócido ocético o metono y dióxido de corbono. A lo vez, se formo metono por bocterios que reducen el dióxido de corbono utilizondo gos hidrógérto. El metono insoluble en oguo se escopo o lo fose goseoso, mientros que porte del dióxido de corbono gue es porciolmente soluble reocciono con el ion hidroxilo del sisfemo poro producir el ion bicorbonoto, que es un omortiguodor ol pH.
3.4
Controles necesorios en uno fermentoción onoeróbico
Entre los porómetros necesorios de observor en un sis temo onoeróbico se encuentron lo temperoturo, tiempo dE refención, bolonce nutricionol del . substrofo, biodegrodo bilidod del substroto, contenido celulor, ousencio de mf teriol tóxico, producción y composición del biogos gená rodo y pH del medio.
El intervolo de pH en que se desorrollon los bocte rios metonogénicos se encuenlro entre 6.6 y 7.6 (14; 15, 16, 19) siendo el óptimo entre 7.0 y 7.2. Cuondo el pH coe oboio de ó.ó se produce uno inhibicién significotivo de Ios bocterios mefonogénicos, tonfo osí, que o un pH de ó.2 los condiciones ócidos exhiben corocte rísticos de toxicidod (15). Lo femperoturo óptimo en uno fermenfoción desorrollodo en el infervolo mesofí[ico estó entre 35 y 40oC (ló, l7rl8r19) y en los desorrollodos en el infervolo fer mofÍlico enfre 55 y ó0oC. Lo velocidod de reocción el
moyor en e! nivel termofílÍco que en el mesofÍlico, don do como resultodo ipor ello, uno moyor eficiencio db otr peroción y un menor tiempo de retención requerido. Sin emborgo el sisfemo es inestoble y el costo de operoción se incremento enormemente. Pfeffer (15) encontró que o ó3oC los bocferios metonogénicos se inhiben.
Con desperdicios que son comúnmente digeribles, lo producción de gos vorío, pero se hoir reportodo resultodos que generolmente oscilon entre 0.31 y 0.81 I i t r o s biogos^romos sólido volótil ogregodo (18)"
3.5
Toxicidod
e inhibicién
Vorios elementos y compuesfos químicos son tóxicos o inhibidores poro los reocciones metobélicos de los boc terios metonogénicos, A pesor.que el estudio de e s t ol substonciqs es de sumo importoncio poro controlor u n o fermentoción, sólo poro los metoles pesodos, Ios ócidosorgónicos, los cotiones de metoles livionos y olgunos substoncios ontibióticos se tienen dotos significotivos como inhibidores (16, 17, 20). Los efectos odversos de olto concentroción de ócidos volátítes sobre los bocterios metonogénicos son porti culormente importontes, debido o que esfos ócidor toñ productos interrnedios en el proceso de lo digestión onoeróbico. Los ócidos volótiJes producidos duronte lo descomposición de compuestos orgónicos compleios fiende o reducir el pH, este efecfo es confrorrestodo por to desfrucción de los ócidos presentes y de lo reformocién de bicorbonoto como omorfiguodor duronte lo fermentocién de metono. Sin emborgo, si se desorrollo un desbolonce
en lo fermenfoción, los forrnodores de ácidos sobreposon o los formodores de metono y los ócidos volótíles se cumulon en el sistemo. Si el bolonce del digestor n o es reintegrodo, lo copocidod omoriiguodoro se sobreposo y ocurre un descenso morcodo de pH, lo cuol origino u no inhibición de los bocterios metonogénicos.
3.ó
Bioquímico de
lo fermentoción
onoeróbico
Lo pobloción bocteriono que se relociono of proceso de fermentoción onoeróbico es muy heterogéneo y de pende del moteriol orgónico con que se olimento el di: gestor. Los bocfierios producforos de ócidos son mós resistenfes o combios bruscc en los condiciones del medio que los bocterios metonogénicos. Lo bioquÍmico microbiológico del metono ho sido di vidido en dos portes (21)z
o.
lvletonogénesis:
el
nretono es generodo principolmen
te de ocetoto, dióxido de corbono e hidrógeno por uñ grupo especiol de bocterios llonx¡dc metonogéni cos, los cuoles funcionon ol finol de lo codeno otT menticio onoeróbico. Wólfe (2I) zugiere que lo re= occión que tomo lugor es por medio de rodicoles ¡i bres empleondo uno coenzimo llomodo M. 2H
co2
L
2H
2H
2H
oHc.x\+ HoH2c.x\- n3c.x\-+
cHa
X = Coenzimo M (óeido 2 nercqtoetonost¡lfónico). t0
b.
lvletonotrófico: lo octividod biológico reot producido por lo metonogénesis es porciolmente enmoscorodo por lo presencio de bocterios que consumen e I mefono, los metonofróficos, que oxidon el metono o dióxido de corbono.
A pesor de que los bocterios metonogénicos se hon estudiodo en pocos loborotorios, se conocen cuofro grupos bien definidos de onoeróbios que pueden estor operondo en los distintos hobitot mefonogénicos. El Grupo I incluye oquellos onoeróbios que excrefon enzimos extrocelulores poro hidrolizor polímeros y que fermenfon los producfos de lo hidrólisis o ócidos grosos, dióxido de corbono e hidrógeno. E! Grupo 2 está representodo por oquellos orgonismos que convierten los ócidos grosos y/o olcoholes o ocetofo e hidrógeno. Se les conoce por e I nombre de reducfores obligodos de protones. El Grupo 3 son Ios orgonismos gue oxidon qnoeróbicomente el hidrógeno con lo reduccién del dióxido de corbono poro producir ocetoto. Por úlfimo, el Grupo 4 esfó consfitui do por los bocferios metonogénicos, los cuoles f ormoi metono o portir de ocetoto, hidrógeno y dióxido de cor bono. Hosto hoy en dÍo lo conversión del ocetofo o ,á tono es lo etopo de lo degrodocién onoerébico que "ñ menor grodo se ho comprendido. Los hobitot noturoles octuoles en que los bocterios mefonogénicos se pueden desorrollor se ogrupon en tres distintos cotegorÍos (21). El tipo A incluye sedimentos, pontonos, lodos de oguos negros, digestores y plontos muerfos en descomposición. Lo kiiodegrodoción en este hobitot puede incluir o los cuotro grupos de orgonismos yo descritos. En este hobitot el ocetofo iuego el popel de moyor imporfoncio como fuente de tronsición de corr1 ,'l1{"1I
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1
I
bono; el ó0 o 70o/o del metono producido en un digestor se estimo que proviene del ocetoto (22r23r 24, 25) (Ver grófico No. I). El hobitot tipo B está confindd ol oporoto digestivo de los onimoles, especiolmenfe oque llos herbívoros que hon desorrollodo uno esfrucfuro especiolizodo, los rumiontes" EI hobitot C incluye o todos
oquellos brotes geotermoles y ciertos logos no usuoles co mo el logo Kivu que son olimentodos por ellos. Se h; demostrodo que los fuenfes geotermoles contienen hidrógeno moleculor, dióxido de corbono, soles mineroles y cepos _de bocterios metonogénicos termofílicos Ql), lo que nos indico que existe uno fermentoción metonogéni-
co en toles medios. Moyor informoción sobre lo microbiologío, bocteriologío y bioquímico de lo fermentoción metonogénico se puede obtener de los referencios 26, 27 r28r29r30131 y 32.
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4. 4.1
ANTECEDENTES
Fermentocién en uno vrs. dos etopos
En formo operocionol, uno fermentoción mefonogéni co se puede reolizor, yo seo en uno o en dos etoposf En el primer coso, lo hidrólisis y lo formoción de ócidos y de metono se efectúo en un mismo digestor, por lo cuol no exisfe uno optimizoción reol de los condiciones que fovorecen el crecimiento de los cuotro grupos de onoeróbios identificodos en lo fermentoción. Debido o que esfos grupos de microorgonismos se encuentron boio los mismos condiciones del medio, los meiores poro no inhibir consideroblemente o ninguno de ellos, el crecimiento se vo o reolizor en formo compefitivo, en donde los vocterios ocidogénicos son los mós versófiles y los que requieren menor tiempo de.duplicoción (l 5,34). Es to circunstoncio genero, en determinodo momento de de: sequilibrio microbiológico, un incremento de ócidos orgÉ nicos, uno disminución de pH y por ende, uno inhibición o los bocterios metonogénicos. Por su porte, en uno fermenfoción llevodo o cobo en dos etopos, los microorgonismos que se encorgon d e lo hidrólisis y de lo producción de ócidos orgónicos se encuentron, en gron medido, seporodos físicomente de los bocterios metonogénicos. En esto formo se poseen dos di gesfores que pueden ser operodos o condiciones distintof dependiendo de los necesidodes del grupo microbiológi co especÍfico que hobite en é1. Ghose (22) sugiere como nombre de lo primero etopo "fose ocidogénico" ya que permife lo degrodoción de lo biomoso complefo o pe queños moléculos monoméricos, predominontemente ócidos
I5
grosos volótiles. A lo segundo de estos etopos le do el nombre de "biometonizoción" yo que involucro lo reduc
ción de los intermediorios o productos goseosos estoblel consistentes en metono y dióxido de corbono. Debido o que lo conversión bioquímico que fomo lu gor duronfe estos procesos es otribuído o distinfos tipoT de floro bocterionor gue pueden ser ogrupodos en dos grupos operocionoles que difieren en fisiologío, requerimientos nutricionoles y corocterÍsticos de crecimiento, se considero que el cultivo de ellos en medios seporodos de be dor por resultodo un meioromienfo en lo eficiencii globol del sistemo (20, 22)"
A pesor de todos estos orgumenfos o fovor de lo fer mentoción en dos etopos, se hon reporfodo experimentof donde no se ho notodo beneficio en el empleo de dos e topos distintos en Io digestión metonogénico (33).
4.2
'
l6
Troboios reolizodos con subproductos de cofé
El cofé y los subproductos obtenidos del procesomien to del mismo hon sido estudiodos ompliomente por Aguil rre (ll), lvlenchú (35) y Wellmon (3ó) coincidiendo en que existe uno serie de desechos contominontes osociodos con el procesomiento húmedo del cofé, enfre los cuo
les se encuentron principolmente los oguos de lovodo ! lo pulpo de cofé. Esfos desperdicios, o su vez, hoh .-¡ do sometidos o investigoción por porfe de Altomirono (8| Bressoni (10), Robles (37), Fernóndez (38), Cleves (39), Orozco (a0) y Block (41) sugiriendo, en olgunos ocosiones, el trotomienfo por medio de uno fermentoción onoeróbico de lo pulpo, lo cuol ho sido yo invesfigodo por
Colle V,9), Hutchison @2) V De León (5), poro conrro lor [o contominoción que se produce y poro i"n"ror" bi; gos y obono orgónico. Hosfo lo fecho, los resultodo, oE tenidos de lo fermenfoción metonogénico de lo purpo de-i
cofé hon sido bostonte promisorios, obteniéndose priucti vidodes de hosfo I,3 vol. biogos,/vol. digestor-jío (5); sin emborgo, debido ol contenido de corbohidrotos de lo pulpo, se ho troboiodo lo digestión o tiempos de residen cio hidróulico lorgos, entre 40 y 60 dÍos, poro impedñ lo ocidificoción del proceso (5):
,A portir de los investigociones llevodos o cobo poro lo obtención de olirnento poro gonodo (8, I0, ll) y po,
teriormente por el trobo[o reolizodo por Alvorez (4) poro lo obtención de un ferfilizonte orgónico empleorido pulpl de cofé prensodo, surgié un nuevo subsiroto poro uno fermentoción onoerébico: el iugo de pulpo de co-
fe.
Este substrofo ho sido investigodo con onferioridod por Porres (43,44) con lo finolidád de evoluor, en formo preliminor, su copocidod poro producir metono. En lo primero porte de esto investigoción (43) se estobleció lo metodologÍo osociodo con lo fermentoción del irgu de pulpo en uno solo etopo, los combios que ocurren dtr ronte lo fermentoción empleondo disfintos substrofos inil cioles (mezclos de fugo de pulpo y estiérco[ bovino) y el comportomiento de lo fermentoción con odiciones periódicos del iugo de pulpo. En lo segundo porte de ío investigoción desorrollodo por Porres (44) se experimenfó em pleondo un sistemo de fermentoción constituÍdo de dos á topos, en donde lo etopo ocidogénico fue troboiodo o uñ tiempo de residencio de 4 dÍos y olimenfodo en f ormo
continuo con iugo de pulpo de
cofé.
por su
porfe, el
fermentodor metonogénico se troboió o l0 dÍos de tiempo de residencio hidróulico y olimentodo en formo semicon-
t7
tinuo con los productos ócidos neutrolizodos provenientes de lo primero etopo. Los resultodos obtenidos fueron pro ductividodes de gos oscilontes, inestobilidod de digestión y lo recomendoción finol que se investigoro un sistemo de fermentoción, poro el iugo de pulpo de cofé, consti tuido de dos etopos olimenfodos en formo continuo.
4.3
Digestores empleodos en
lo fermenfoción
onoeróbico
Uno de los prinéipoles problemos en el frotomiento directo de desperdicios orgónicos por medio de uno fermentoción onoeróbico es el de retener lo contidod suficiente de lodos octivos dentro del digestor, yo que se supone que lo retención de los bocterios mefonogénicos depende de que estos microorgonismos se odhieron o lo superficie de portÍculos exisfentes dentro del medio (18). Por lo tonfo, lo densidod de poblogión de los orgonismos estó relocionodo con lo retención de sólidos y por ello, orgonísmos de menor velocidod de reproducción re quieren un moyor tiempo de residencio de sólidos. Por lo generol, Ios digestores continuos se pueden closificor en olguno de estos cuotro cotegoiíos:
.
Digestor convencionol Proceso onoerébico de contocto 3. Filfro onoeróbico 4. Proceso onoeróbico de fluio oscendente cho de lodos (UASB) (véose grófico No. 2) I
2.
EI digestor convencionol es
o
trovés de le
el proceso
onoeróbico
de moyor uso, cuyo empleo estó limitodo, principolmen-
l8
te, o lo digestión de los desperdicios provenientes de de sogues municipoles. Esto limitoción de empleo rodico enque su diseño es similor o un reocfor de mezclo comple to y por lo tonto el tiempo de residencio hidróulico es iguol ol tiempo de refención de sólidos.
El primer ovonce logrodo en lo seporoción de los distintos tiempos de residencio hidróulico y de sólidos, fue logrodo con el diseño del proceso llomodo de confocfo onoeróbico. En este coso el lovodo de lodos octi vos del digestor es controlodo por un seporodor de sóli: dos y un sistemo de recirculoción, de tol formo que si el tiempo de retención de sólidos es el odecuodo, et fiempo de residencio hidróulico se puede reducir y trobo[or un volumen moyor de olimentoción. El principol problemo osociodo con lo oplicoción próctico de esfe sis temo ho sido siempre lo seporoción y concentroción d; los lodos de Io solución de efluentes del digestor. Entre los primeros que reconocieron Io necesidod de montener un moyor tiempo de retención de sólidos con el fin de disminuir el .tiempo hidróulico de residencio fueron Young y McCorfy (45) que como resultodo de sus investigociones, que comenzoron en I9ó3, permifieron el desorrollo del llomodo filtro onoeróbico. El sistemo es un reoctor de fluio oscendente que confiene un lecho de moferiol de soporfe inerfe y poroso, que puede e s t o r constituido por piedros, cogue o un moferiol plósfico. Los experímentos llevodos o cobo o nivel de loborotorio y plonfo piloto con este digesfor son bosfonte promísorios, llegóndose en ocosíones o fener un fiempo de retención de sólidos moyor de los 100 dÍos. Uno de los procesos mós interesontes,
de
desorrollo
t9
relotivqmenle nuevo, es el proceso de fluio oscendente o trovés de lecho de lodos (IJASB) que fué desorrollodo por Lettingo y sus coloborodores en Holondo (33). Con trorio ol proceso de contocfo onoeróbico, lo mezclo mE cónico y lo recirculoción de los lodos son montenidos f un mÍnimo poro permitir lo sedimentoción de los mismos" Lo ideo bósico que se promueve es que los lodos onoeró bicos inertes fienen corocferísiicos superiores de sedimeñ toción siempre y cuondo los condiciones quÍmicos de l; floculoción de lodos seo fovoroble" Uno vez estos condiciones seon cumplidos, lo retención de los sólidos depende principolmenfe de lo seporoción efectivo del gos producido. En otros polobros, es un reoctor de fluio os cendenfe que busco uno olto concentroción de microoJ gonismos (orribo de 80 S/l) V por ende un olto tiempode refención de sólidos, lo cuol, es logrodo, por el em pleo de un seporodor de gos que se colocq orribo d eJ reocfor.
20
PROCESO ANAEROBICO
DIGESTOR CONVENCIONAT
DE
CONTACIO
Ef luen tes
A limentoción
Efluentes
A límentoción
GRAFICA
N".
2
Di,r.r'umo esquemÁli,:., dr, ...o, i<>. procesos de trotomienfo nnoeróbic,., (33)
Ef lue¡rtes
emPocodo A
TILiRO ATlAEROBICO
limerrtoción PROCTSO ANAEROBICO DE
rLUJO (CTNNFNTI EN LECHO DE LODOS
5.
OBJETIVOS
En el presenfe trobo[o de tesis se pretende.cubrir guientes obietivos:
ros
si
o.
Determinor el comportomiento generol del iugo de pulpo de cofé como subsiroto poro lJ produccién d! mefono o trovés de uno fermenfoción onoeróbico de dos etopos.
b.
Reducír el tiempo hidróulico de residencio de lo fermentoción metonogénico deJ iugo de pulpo de cofé, monfeniendo constontes todos los condiciones restontes det diges
for.
23
6" 6.1
METODOLOGIA
Substroto empleodo El substroto empleodo poro efecfuor lo fermenfoción metonogénico fue el iugo de pulpo de cofé, el cuol se obtuvo del prensodo de lo pulpo fresco en uno prenso hi dróulico monuol (Doy Equipment Corp") o uno presión 6 proximodo de 120 o 127 Kg/cm2 poi seis minutos p,4§ El iugo obtenido fue olmocenodo en un cuorto de conge loción o -l0oC, de donde se socobo y descongelobo pg ro su uso inmedioto.
6.2
Condiciones de operoción Pqro olconzor los obietivos que se pretendÍon otcon zor fue necesorio consideror y evoluor los condiciones E los cuoles se ibo o desorrollor lo fermentoción onoeróbico empleondo como subsfroto iugo de pulpo de cofé" po ro ello se decidió que un sistemo de fermentocién conrl tituído de dos etopos olimenfodos en formo confinuo serío el mós odecuodo, en donde lo etopo ocidogénico fue se operodo en condiciones fiios y lo mefonogénico trobá iodo en condiciones voriobles de tiempo de residencio h] drou licO.
:
El fermentodor ocidogénico se froboió o 0.5 dios de fiempo de residencio hidróulico y o 35oC, siendo olimentodo con iugo de pulpo de cofé cuyos ozúcores fueron oiustodos ol 3olo en peso, si por exceso, diluyendo con oguo, si por defecto, oñodiendo ozúcores. Los productos ócidos provenienfes de esto primero fose de ro fer 25
mentoción fueron neutrqlizodos o un pH enlre 7 y 7 "8 con hidróxido de colcio y utilizodos posteriormente poro olimentor el fermentodor metonogénico. Dicho fermento dor se operó o 35oC e, iniciolmente, o l0 díos de tiempo de residencio hidróulico. Uno vez que lo produccióñ de gos y el pH se monfeníon constontes en lo etopo me tonogénico, se procedío ol muestreo de los fluios de oli mentoción y descorgo de ombos etopos y se efectuoboñ los onólisis correspondientes, según se describe mós odelonte. Desorrollodos los posos onteriores, se disminuío el tiempo de residencio hidróulico de lo etopo metonogénico y se repetÍo el procedimiento descrito con onterioridod
"
Cuondo se olconzó el lÍmite de lo copocidod de de grodoción del digestor (empleondo como porómerro d; confrol, lo esfobilidod del pH), se procedió o monfener ..consfonte el último tiempo de residencio hidróulico experimentodo y se vorió lo concentroción de lo olimento ción por medio de dilución.
ó.3
Equipo empleodo Lo efopo ocidogénico se IIevó o cobo en un frosco de I litro de copocidod que fue orreglodo, de tol formo, que lo entrodo de lo olimentoción y lo descorgo de efluentes se éfectuoro en lo por.te inferior y superior del recipiente, respectivomente. Dicho frosco se encon trobo sumergido en un boño de morío y poseío, ocoplo: do o su sisfemo, un medidor de temperoturo y un medidor de gos. Por su porte, lo etopo metonogénico se efec tuó en un fermentodor de 4 litros de copocidqd (Fermd totion Design) modificodo poro condiciones onoeébicosl
26
Lo entrodo de lo olirnenloción se colocó en lo porte in ferior del reoctor y lo descorgo de efluentes en lo po; te superior, protegido por un seporodor sólido- líciu ido (ver grófico No. 3), poro permitir lo ocumuloción de lo dos dentro del digestor. El control de lo femperoturo l del digesfor se llevé o cobo por medio de lo recirculoción de oguo coliente o tróveis de uno tuberÍo inf erno del digestor y por lo occión de un termostofo. El reoc for, odemós, tenío ocoplodo un gosómetro y un medidor de temperoturo, El pH de lo olimentoción de lo etopo metonogénico se montuvo consfonte en 7 por medio d e un controlodor outomótico que empleobo hidróxido de so dio cuqndo ésfo se ocidificobo.
Lo velocídod de olimentoción y de descorgo de om bos efopos se controló por medio de bombos peristólticof conecfodos o un progromodor digitol de secuencio de bombeo.
6.4
Anólisis efectuodos Dioriomente se efectuqron mediciones de pH, utilizondo un potenciómetro (Corning digitol II0), de losd¡s tinfos flufos de olimentoción y descorgo; y se registro: ron los producciones de gos y los femperoturos de ombos etopos. Cuondo el sistemo de fermentoción metonogénico se coniiderobo estoble se efectuobon los onólisis Ors o f de los goses producidos @7) V se fomobon muestrqs de los distintos fluios poro efectuorles los siguientes onó l. . r
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l. 2.
Sólidos totoles Sólidos volótiles
27
3.
Acidos grosos volótiles
4. Nitrógeno 5. Azúcares totoles ó. Acido lóctico
Los sólidos fofotes y sólidoo volótiles se onolizoron empleondo el método de "Volóti,les fotoles y residuos fiios o 55@C" (48), los ócidos grosos volótiies y el ócido lóctico se determinoron por cromotogrofÍo goseoso (49, 5l), e! nitrégeno empleondo e! mátodo Kieldohl (49) y los ozúcores fotoles por medio del método modificodo de Luff-Schoorl (50).
28
GRAFICA No.
3
Co(OH)2
EFLUENTES ACIDOS
NEUTRALIZAC ION
ETAPA
METANOGENICA
Diogromo
¡6
flrrir-,
SOBRENADANTES
rlel proces,, fermerrtr:ii,¡,,, enrpletid,
SOBRENADANiES
SEPARADOR
sCLIDO-LIQUIDO
ALIMENTACION
LICHO DE LODOS
Diogromo de lo etopo metrinuclérricc e¡nplc,¡dr¡
7. 7.1
RESULTADOS OBTENIDOS
Y
SU DISCUSION
Presentoción de resultodos
Los resultodos obtenidos se presenton en esfe troboio en dos formos distintos: oquellos que nos indicon lo cor go diorio de entrodo y de solido de sólidos tofoles, sóI lidos volótiles, nitrógeno totol y ócidos grosos se presenton en formo de cuodro, mientros que los resultodos de producción de biogos y combios de pH en el tiempo, en formo de grófico. De esto monero, el Cuodro No. I se debe osocior o lo Grófico No. 4 poro comprender los combios sufridos en lo etopo ocidogénico y de iguol formo, los Cuodros No. 2, 3 y 4 se deben osocior o los Gróficos Nos. 5, 6 y 7 poro comprender lo etopo metonogénico o 10,8 y 5 díos de tiempo de residencio hidróulico, respectivomente. El Cuodro No. 5 y lo Grófico No. 9 corresponden o lo efopo metonogénico de 6 dÍos de tiempo de residencio hidróulico trobo[odo o dis tintos concentrociones de olimentoción, siendo osí, qu; cuondo hoblomos de uno olimentoción de 25o/o nos referimos o que el efluente de lo etopo ocidogénico se diluyó o vn 25o/o con oguo ontes de ser olimentodo o lo etopo metonogénico. Y por último, el Cuodro No. ó nos indico los combios producidos en el sisfemo, como un to do, o los disfintos tiempos de residencio experimentodol y los productividodes de biogos obtenidos como los composiciones del mismo.
Lo folto de concordoncio entre los volores de concentroción de los distintos subsfoncios que solen de [o e topo ocidogénico y que entron en lo efopo metonogéni-co, en los cuotro tiempos de residencio hidrólulico ex-
¡,r§J
. , 7.2
32
perimentodos, se debé o que los eflud¡tes del digrestor ocidogrénico no se empleoron en formo inmedioto poro o limentor ol digesfor metonogénico, sino hosto después dE tronscurrido un tiempo de ocumuloeión. Esto sifuoción se orig'inó por lo diferencio en los tíernpos de resÍdencio ihidróulicos empleodos en ombos etopos.
Resultodos
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7,3
Discusión de resultqdos
El Cuodro No. I expriso Ios resultqdos obtenidos de Ios onólisis efectuodos en los fluios de entrodo y de solido de lc etopo ocidogénico. Podemos oprecior en é1, que lós ozúcores totoles, los sólidos volótiles y los sólidos totoles se reducen consideroblemente y que o lo vez, se generon ócido ocético y, principolmenfe, ócido lóctico. Lo producción de este último ócido no es onormol en esto efopo de lo fermenfociín, yo que estó con siderodo como uno de los posibles productos infermediosen lo formoción de ócido ocético (52). Empleondo con ceptos termodinómicos, exclusivomenfe, Pipyn (52) or"I guro que existe uno tendencio moyor o lo formoción de metono o portir de ócido ocético, cuondo este último ho tenido como producto intermedio ol ócido láctico, ésf o lo osevero debido o que el combio de lo energío libre por mol de metono producido cugndo el meconismo incluye ol ócido lóctico es de -ó8.8 KJ, mientros gue po ro el resto de los intermediorios el volor oproximodo es de -32 KJ. Lo reducción de ozúcores totoles és del orden del 89o/o, lo cuol indico que olrededor de un l0olo de los ozúcores originoles del iugo de pulpo de cofé entron o lo efopo metonogénico oún sin ser degrododos. Debido o que los ócidos orgónicos provienen principolmente del rompimiento de los ozúcores presenfes podemos suponer que lo etopo metonogénico vo o sufrir un cierto grodo de ocidificoción por lo degrodoción de estos ozúcores que [e son olimentodos. Por su porfe, lo Grófico No. 4 expreso lo productividod de gos (vol. gosftol. digesfor-dío) y lo vbrio-
57
ción de pH con respecfo ol tiempo de digestión. Apreciomos que cuondo lo digesfién ócido se inicio, lo producfivid.od de gos es oscilonte y muy olto, tendiendo o estobilizqrse y reducirse o medido que el tiempo poso, Es importonte hocer notor que o los goses generod.os no se les efectuó ningún tipo de onólisis debido o que e I pH del digestor se montuvo relotivomente constonte en 3.5 y no existe literoturo olguno que nos indique que o ese volor de pH se puedo generor metono. El desorrsllo de lo etopo metonogénico o I0 y 8 díos de tiempo de residencio hidrólulico fué bostonte es foble" Podemos observor los resultodos obtenidos de di: chos experimentos en los cuodros No. 2 y 3 y en los gróficos No. 5 y 6. El pH dentro del digestor se monf uvo relotivomenfe consfonte en 7.5 poro ombos experimentos y lo producción de gos tuvo ton solo un intervolo de osciloción de 0.54 y de 0.23 vol.biogos/vol. digestor-dío poro los dos tiempos experimentodos. Lo Pre ducción móximo de biogos generodo en lo etopo metono génico troboiodo o l0 dÍqs de tiempo de resiiencio hi:
dróulico fue de I.3ó vol.biogos/vol.digestor-dío (69"/o metono y 3l"A diéxido de corbono), mientros que o 8 díos de retención hidróulico esto producción fve de 1.42 Q3o/" metono y 27a/o dióxido de corbono), siendo lo Prg ductividod promedio de biogos de I.05 y I .27 vol.biogos/vol.digestor-dÍo, respectivomente. Lo productividod de biogos reportodo en este troboio o 8 dÍos de tiempo de residencio hidróulico es moyor que lo reportodo e n otros troboios similores donde se ho empleodo pulpo de cofé o iugo de pulpo de cofé como substroto de uno fer mentoción metonogénico (5, 43, 44). En los Cuodros
58
No. 2 y 3 podemos oprecior que
lo
reducción de sólidos totoles, ,sólidos voláti[es, nitrógeno totol y ozúcores totoles es moyor, gomo ero de "rp.ror, cuondo se troboio el digestor o l0 díos de tiempo de re sidencio que cuondo se troboio o 8 díos. Es importontE hocer notor que los ozúcores desoporecen cosi totolmente en esto etopo. En los dos cosos exominodos existe uno reducción
porciol de ócido ocético y totol de ócido ló'ctico, formóndose, como ero de esperor, metono y dióftido de cor bono, osi como ócido propiónico, ócido votérico y ócT do copróico. Levy (19) sugiere que esto formocíón d; ócidos grosos de codeno lorgo se debe o lo olto concen troción ócido del medio, de fol formo que cuondo lo = concenfroción de ócido océfico es suficienfemente olto poro comenzor o disminuir el pH del sisfemo o niveles inhibitorios se produce un oiusfe de lo floro bocteriono, que origino uno conversión de 'ócido ocético o ócidos o lifóticos de codeno lorgo, todo esto con lo finolidod dá incrementor el pH y de obtener lo energío suficiente po ro lo formoción de ATP. Los ecuociones que Levy (19) indico poro lo formoción de estos ócidos de codeno lorgo o porfir de ócido ocético son los siguíentes:
poro lo formocién de ócido propiénico
Tcnacoor-l
-+
4CHgCHzCooH
+
2coz
+
2¡1zo
poro lo formoción de ócido butÍrico 5CH3COOH
--'>
2CH3(CH2)2COOH
+
2CO
2+
2HZO
59
poro lo formoción de ócido volérico I3CH3COOH
-+
4CH3(CH2)3COOH
+
6CO2 + óHZO
poro lo formoción de ócido copróico 4CH3COOH
-+
CH3(CH2)4COOH
+
2CO2 + 2H2O
Por otro porfe Buswell y Schlenz (20) reporton que o concentrociones superiores de,2r0Co mg/l de ócido o cético en el medio de fermentoción, se produce toxiiil dod o los bocferios metonogénicos; sin emborgo, en todos los experimentos llevodos o cobo en este froboio se empleoron concentrociones que oscilobon enfre 31000 y 51000 mg/l de este ócido. Esfo solo confirmo el punfo de visfo de Levy (19), yo que se estobo empleondo un exceso de ócido ocético en lo olimentoción de lo etopo metonogénico.
El Cuodro No. 4 y lo Grófico No. 7 expreson los resultodos obtenidos en lo etopo metonogénico o 5 díos de fiempo de residencio hidróulico y lo Grófico No. I muestro el comporfomiento de productividod de biogos y de pH o ó díos de residencio. En los dos experimentos se nofo uno tendencio morcodo de descenso de pH en el medio de fermentoción. Cuondo se observó esfe compor fomiento, se trotó de incrementor lo olcolinidod del di gesfor empleondo dos métodos distintos: olcolinizoción de lo olimentoción o un pH entre I y 9; y dilución de olimentoción. El primero de estos dos métodos tuvo resuftodos negofivos y ello se puede comprobor en lo Grá fico No. 8 enfre los díos 7 y 22, donde el pH disminü yó en lugor de increimentorse. Por su porte, lo diluciói de Io olimentoción incremenfó en poco tiempo relotivoó0
rnente, el pH del digesfor metqnogénico de ó,8 o 7.4 cuondó se efectuó el combio de tiempo de residencio de
5 o ó dios. El Cuodro No. 4 indico los resultodos de los onóli sis efectuodos en lo etopo metonogénico o 5 díos d; fiempo de residencio hidróü.lico. Nuevomente, como en los cosos onteriores, notomos que existe uno reducción de sólidos totoles, nitrógeno totol y ozúcores totoles. El ócido ocético y el ócido lóctico disminuyen consideroblemente generóndose ócido volérico y ócido copróico. Hobiéndose ocidificodo lo fermenfoción metonogénico en ó dÍos de tiempo de residencio hidróulico, se tro tó de verificor que el digesfor se encontrobo en el lími fe de su copocidod de degrodoción. Poro ello se rnon; tuvo consfonfe en ó dÍos el tiempo de residencio hidróu lico y se olimentó esto etopo con dilución de los efluen' tes de lo etopo ocidogénico. Lo concentroción de esto! diluciones se oumentó poulotinomente Qío/o, 50o/o, 75Y") hosto llegor nuevomente o lo corgo iniciol de los ó díos de tiempo de residencio hidróulico. Los resultodosde e: to operoción los podemos oprecior en el Cuodro No. 5 y en lo Grófico No. 9. Como ero de esperor, lo corgo diorio de entrodo, tonto de sólidos totoles como de sólidos volótiles, se in crementó o medido que lo concentrocién de lo otimentá ción ibo en oumento. Lo reduccién de sélidos totolel tombién se incremento con lo concentroción, no siendo osÍ poro los sélidos volótiles, los cuoles, o uno concentroción de 75"/" presento uno reducción de 0.75 g/l-dío y o l00o/o ton solo uno reducción de 0.12 n/ I-dío.
óI
En lo Grófico No. 9 opreciomos cómo lo productividod de biogos se incremento conforme oumento lo con centroción ae lo olimenfoción hosto llegor o un voloi móximo de 1.37 vol.biogos/vol. digestor-dío" Por su porte, el pH muestro un descenso morcodo cuondo se tro Loio el fermentodor q lo concentroción móximo de olil me¡toción, confirmondo osí que se ho olconzodo el lÍmi te de lo copocidod de degrodoción del mismo. Es impg tonte hocer nofor que el 5lolo de lo composición de bio gos generodo, en esto último efopo, es metono, o pesor de que el pH del medio se encontrobo en ó.
El Cuodro No. ó es uno recopiloción de los resultodos obtenidos en los distintos fiempos de residencio ex perimentodos, uniendo los dos etopos: lo ocidogénico y lo metonogénico. Entre los resultodos mós interesontes se encuentro que Io degrodoción de ozÚcores en el siste' mo de fermentoción es cosi totol, del orden del 99"/o, que el tiempo de residencio hidróulico que moyor Productividod de biogos originó fue el de 8 díos (0.652 li tros biogo, / groio ¿e tóliao volótil destruido). El re: sultodo obtenido de productividod de biogos o ó díos de íesidencio y 25o/o de olimenfoción no es muy confioble debido o lo olfo concentroción de ócidos existenfes e n el medio cuondo se comenzó o efecfuor esto dilución.
62
8.
CONCLUSIONES
o.
El iugo de pulpo de cofé resulto ser un substroto odecuo do poro uno fermentoción onoeróbico rópido desorrol lodf en dos etopos.
b.
En uno férmentoción onoeróbico desorrollodo en lo formo descrito en este troboio de tesis, usondo iugo de pulpo 'f de cofé, el tiempo de residencio hidróulico en lo ose metonogénÍco que genero moyor productividod de biogos es el de 8 díos (0,652 lÍiros biogos/gromo sólido voJótil desfruido).
63
9.
RECOMENDACIONES
o.
Debe efecfuorse uno evoluoción de diferentes fipos de fer mentodores onoeróbicos de diseño ovonzodo (con retenl cién de microorgonismos) poro el frotomiento del iugo de pulpo de cofé. Podró osí seleccioncrse el sistemo mós e-
fectivo.
b.
Uno vez determinodo el sistemo od""rodo se deben vorior los porámetros crÍticos del mismo, con et fin de de terminor los condiciones de operoción de lo digestión del iugo de'pulpo de cofé.
c.
Deben iniciorse esfudios poro uno etopo de purificoción finol de los efluenfes previo o su descorgo, con el fin de evitor lo coniominoción de cuerpos de oguo.
65
10.
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