De todas las fases para operar un proceso de tratamiento de aguas residuales de lecho fijo anaerobio, el arranque representa el más largo y más importante paso, pero también el menos entendido y por lo tanto el periodo más difícil de controlar. Sin embargo, esto determina el diseño y la estabilidad del reactor. Se han reportado periodos de arranque entre 2 y 9 meses (Lauwers 1990). El periodo de arranque de una biopelícula puede ser visto como “el tiempo necesario para la selección y justo arreglo de la más apropiada variedad de bacterias de un consorcio en donde están relacionadas unas a otras de acuerdo al sustrato” (Heppner 1992).
La complejidad y diversidad de los fenómenos que ocurren durante el establecimiento de un consorcio anaerobio han retardado el entendimiento y consecuentemente el propio control de esta fase. Hasta hoy, el conocimiento acerca de las primeras etapas de la colonización permanece impreciso.
En la operación de los reactores de lecho fluidizado, el crecimiento de la biopelícula ha sido comúnmente monitoreado con el empleo de técnicas que permiten determinar la concentración de sólidos volátiles adheridos al soporte empleado (Buffiere et al. 1995, Diez et al. 1995, García 1997; García et al. 1998, Pérez et al.
1999, Michaud et al. 2002, Arnaiz et al. 2003, Michaud et al. 2005, Cresson et al.
2008, Alvarado 2008).
Por otro lado, también las técnicas basadas en microscopía han sido empleadas para medir la biomasa adherida al soporte. Alvarado (2008), durante la operación de un reactor de lecho fluidizado inverso, determinó el porcentaje de soporte
108 cubierto por biomasa, empleando un software (Scion Image 4.03, Scion Corp. Frederick, MD, USA) para el análisis de una imagen obtenida con un microscopio Intel PlayTM QX3.
De esta forma, los métodos usados comúnmente para medir la biomasa fija son la determinación de pesos seco y húmedo, contenido de proteínas y polisacáridos, contenido de fosfolípidos y examinaciones microscópicas. Todas estas técnicas analíticas consumen demasiado tiempo para ser utilizadas como indicador en tiempo real. Por otra parte, estas técnicas caracterizan la biopelícula para un simple parámetro, tal como la cantidad de materia orgánica o células y el espesor de la biopelícula, pero nunca en términos de la actividad biológica de los ecosistemas anaerobios. Además, la información obtenida no permite identificar la dinámica de las etapas importantes (Michaud 2003). Trulear y Characklis (1982), indican que el proceso de colonización ocurre en tres fases consecutivas: fase lag (fijación celular primaria), producción de biopelícula (acumulación de bacterias con producción de una matriz de biopolímeros) y una fase de estado estable (establecimiento de una biopelícula madura).
El rendimiento de metano, definido como la cantidad de metano producido para una cantidad dada de materia orgánica removida, es el resultado de la actividad del consorcio anaerobio de bacterias. Esto es constante durante condiciones de estado estable para un sustrato de carbono dado en condiciones de respiración anaerobia (por ejemplo catabolismo) y depende de la fracción de materia biodegradable (Borja 1994), y de la naturaleza de los compuestos (van der Berg 1986). Esto es, el valor del rendimiento de metano, el cual es constante cuando el ecosistema anaerobio usa carbono para crecer y mantenerse solamente.
Teóricamente el valor del rendimiento de metano a 30 °C de un consorcio anaerobio es 0.389 LCH4/g DQOremovida (Jennet 1975, Citado por Michaud 2002). Alcanzando
este valor podría considerarse que todo el carbono puede ser utilizado por la biopelícula para la respiración anaerobia, creciendo y manteniéndose solamente.
109 Diversos investigadores han medido este parámetro para reactores de biopelícula bajo condiciones estables, y ellos han obtenido diferentes resultados, dependiendo del sustrato y de las condiciones de operación. Algunos valores reportados por la literatura son: 0.3251 LCH4/g DQOremovida, con aguas residuales de elaboración de
refrescos (Borja 1994), 0.285, 0.31, 0.36 LCH4/gDQOremovida con agua residual de
destilería bajo varias condiciones (Borja 1994, Balaguer 1997), 0.381 CH4/gDQOrem con un medio sintético basado en un extracto de carne comercial
(Bull, 1983) y 0.361 CH4/gDQOrem con acetato como fuente de carbono (Hsu,
1993).
Durante el periodo de arranque de un sistema de biopelícula, las bacterias emplean algo de carbono para construir la matriz inicial de biopolímeros (por ejemplo en el anabolismo), reduciendo, por lo tanto, el rendimiento de metano (Figura 4.6).
Figura 4.8 Representación esquemática de las diferentes vías de remoción de carbono orgánico en un reactor de biopelícula.
Carbono orgánico removido Crecimiento celular y mantenimiento CH4 + CO2 Matriz de exopolimeros Condiciones de estado estable
Valor teórico constante YCH4 = 0.35 (L CH4/gDQOrem) Condiciones de estado no estable Valor variable YCH4 < 0.35 (L CH4/gDQOrem)
Algunas veces en los primeros días de arranque no hay producción de biogás, a pesar de una degradación de materia orgánica significativa. YCH4 = 0 Anabolismo Anabolismo Catabolismo
110 Después del periodo de arranque y en condiciones estables, aunque la producción de exopolímeros ocurra todavía para compensar la pérdida de biopelícula cómo un resultado del desprendimiento (especialmente en los sistemas de lecho fluidizado), el carbono es principalmente convertido a biogás y el rendimiento de metano es cercano al valor teórico. Por lo tanto, el rendimiento de metano podría reflejar las fases de la formación de la biopelícula anaerobia (Michaud 2002).
Al operar reactores LFI Michaud et al. (2002, 2005); concluyen que durante el arranque de este sistema anaerobio el rendimiento de metano, permitió distinguir diferentes fases de la dinámica de desarrollo de la biopelícula. La identificación de estas fases puede conducir a estudios de optimización dirigidos a reducir el periodo de tiempo asociado con cada una de las fases de colonización microbiana del soporte (fijación, crecimiento de la biopelícula, maduración). Así mismo, el rendimiento de metano parece ser un parámetro representativo para el monitoreo del proceso sin muestreo de biomasa en el reactor. Por otro lado, el rendimiento de metano es referido a la DQO removida, y no puede ser empleado como un indicador del desempeño del reactor anaerobio. Esto es una propiedad intrínseca del proceso (Buffiere 2000), cuyas variaciones reflejan perturbaciones entre el balance de los flujos del anabolismo (producción de biopelícula) y catabolismo (producción de metano). Cada decremento del rendimiento de metano puede ser visto como una respuesta al estrés fisiológico de la biomasa, observado cuando las bacterias entran en contacto con el soporte, o en periodos de sobrecarga orgánica. Por lo tanto, el rendimiento de metano como un indicador, podría proporcionar información sobre la dinámica del desarrollo de la biopelícula durante el arranque y posteriores perturbaciones durante la operación del reactor.
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_____________________CAPÍTULO V. OBJETIVOS DEFINITIVOS
De la revisión bibliográfica realizada en el capítulo anterior, se derivan una serie de conocimientos que permiten relacionar la problemática en estudio con las bases teóricas existentes.
Así, puede ubicarse a la planta productora de alcohol etílico, como una empresa que al igual que muchas otras, presenta los mismos problemas relacionados con la generación, tratamiento y disposición de los efluentes generados en su proceso de producción.
En este contexto, la investigación bibliográfica permite obtener la información necesaria para dar respuesta al objetivo previo que plantea el conocimiento de las características de la materia prima empleada en el proceso de producción de alcohol, así como la influencia que ésta tiene en el alcohol producido y la composición de las aguas residuales generadas en el proceso de producción del etanol.
Por otro lado, durante la investigación bibliográfica es posible conocer con detalle los principios del proceso de fermentación alcohólica, fundamento del proceso de producción del etanol, que de forma convencional desarrollan las destiladoras. Así mismo, esta investigación bibliográfica cumple con el objetivo de conocer, de forma general, cuáles son las operaciones unitarias de la producción de etanol. Sin embargo, es necesario investigar en particular el proceso de producción del alcohol en la planta en estudio, para identificar las operaciones generadoras de efluentes contaminantes.
Al llevar a cabo la investigación bibliográfica, producto de la revisión de diferentes artículos en donde se publican trabajos sobre caracterización de vinazas, se logra identificar cuál es la composición típica de estos efluentes. Sin embargo, es
112 importante llevar a cabo una caracterización de los efluentes en estudio para conocer sus características particulares.
El conocimiento de las alternativas de usos y reducción de volumen de las vinazas generadas en la producción de alcohol etílico, planteado como un objetivo inicial, se cumple al realizar la investigación bibliográfica. La información recabada muestra algunas acciones adoptadas por algunas destiladoras de alcohol con el objetivo de reducir los volúmenes de estos efluentes.
Aun cuando se logra conocer con la investigación bibliográfica las tendencias de las destiladoras para tratar y reducir sus efluentes, no se encuentran respuestas para el tratamiento preciso de vinazas crudas generadas en los procesos de producción de etanol.
El estado del arte de la aplicación de procesos anaerobios para el tratamiento de efluentes de alta carga, característica particular de las vinazas, permite suponer que esta tecnología es un proceso viable para su tratamiento. La investigación realizada sobre las ventajas que ofrecen los reactores de lecho fluidizado inverso, y las experiencias exitosas de tratamiento de efluentes de alta carga, hacen pensar que en particular, son una alternativa para el tratamiento de las vinazas. Se asume que una investigación de la biodegradabilidad anaerobia de las vinazas en estudio, previa al tratamiento en un reactor de lecho fluidizado anaerobio, permitirá tener una mejor perspectiva de la eficiencia del tratamiento.
Lo anterior permite una generación de ideas que aterrizan en objetivos tendientes a realizar una revisión profunda de los efluentes generados en la planta productora de alcohol, sus características, el estudio de su biodegradabilidad y el planteamiento de un tratamiento anaerobio que ofrezca ventajas de alto rendimiento y bajo costo.
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