CARACTERIZACION Y TRATAMIENTO DE RESIDUALES FABRICA DE CERVEZA

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1 CARACTERIZACION Y TRATAMIENTO DE RESIDUALES FABRICA DE CERVEZA LIQUIDOS DE UNA Fonte *Aramis, Martínez **Nelson, Montalvo ***Silvio J *Delegación CITMA Camaguey; **Universidad de Camaguey; ***CETER, ISPJAE, Ave 12 s/n, Marianao, C.P , C. de la Habana, Cuba. RESUMEN En el presente trabajo se realiza una caracterización físico-química de los residuales líquidos que vierten la fábrica de cervezas "Tínima" ubicada en la provincia de Camaguey en la zona oriental de la República de Cuba mediante la determinación analítica de parámetros tales como la Demanda Química de Oxígeno (DQO), ph, conductividad eléctrica, alcalinidad total (AT) y ácidos grasos volátiles totales (AGVT). Entre los resultados obtenidos destaca la alta variabilidad de las propiedades físico-químicas de estos residuales provocada por el régimen de producción de la fábrica. Posteriormente el residual se sometió a tratamiento en un filtro anaerobio a escala de laboratorio, empacado con esferas de cristal y operando a tiempos de retención de 1 y 5 días. La temperatura empleada fue la ambiental, la cual se mantuvo entre C. Se verificó que a las condiciones de realización del experimento no es posible operar con tiempo de retención hidráulico (T RH ) de 1 día. Sin embargo, empleando T RH de 5 días es posible alcanzar reducciones de la DQO de %. Palabras claves: residuales de cervecería, caracterización, filtro anaerobio INTRODUCCION El desarrollo de las industrias fermentativas con el fin de obtener bebidas alcohólicas y alimento, tales como la de producción de cervezas, alcohol y levadura, con sus procesos de altos índices de consumo de agua, empleo de nutrientes y desarrollo de una gran cantidad de materia orgánica, provocan el vertimiento de grandes volúmenes de residuales con un elevado contenido de materia orgánica los cuales deben ser tratados adecuadamente a fin de reducir las afectaciones que por contaminación ambiental sufre el mundo actual de manera tan marcada ya casi en los umbrales de un nuevo siglo. Valga como ejemplo citar que en Cuba los residuales de estas industrias provocan una contaminación orgánica equivalente a 7 millones de habitantes (Valdés y Montalvo, 1994). Es por ello que se exige con tanto rigor sobre la calidad del tratamiento de las aguas residuales de estas industrias. Teniendo en cuenta que las instalaciones depuradoras para estos casos pueden tener un costo relativamente elevado debe preveerse sistemas de tratamientos que permitan la obtención de algunos subproductos con valor utilitario como son el biogás, los biofertilizantes y los alimentos para animales, los que pueden resultar del tratamiento anaerobio de estos residuales (Unterstein, 1987), tan necesarios y a su vez deficitarios en todo el mundo.

2 Sin embargo en algunas de las plantas de tratamiento de residuales de la industria cervecera se emplean sistemas aerobios a pesar de haber sido construídos y probados a escala industrial sistemas anaerobios que permiten la obtención de los subproductos antes mencionados (Feckhaut et. al., 1987). En América Latina entre los residuales que más se tratan por vía anaerobia destacan los generados en este tipo de industria (Viñas, et. al., 1994). Los residuales líquidos en la corriente integral de salida de fábricas de cerveza presentan generalmente un carácter neutro en relación al ph. A su vez se observa que los residuales de fábricas de cerveza presentan una gran variación en el contenido de materia orgánica. Según se recomienda por diferentes investigadores (Albagnac, 1992; Wise, 1984; Mata- Alvarez, Llabrés, 1984) resulta adecuado el uso de digestores con crecimiento de biomasa en biopelícula para el tratamiento eficiente de residuales con bajo contenido de sólidos en suspensión, por lo que el llamado filtro anaerobio resulta de uso común en estos casos. MATERIALES Y METODOS La investigación se desarrolló en dos fases o etapas que comprendían: -Fase I: Caracterización físico-química de los residuales líquidos de la fábrica de cervezas. -Fase II: Anaerobiosis del residual en un filtro anaerobio que operaba a dos niveles de T RH. Procedimiento de la fase I: -Para la caracterización del residual se tomaban muestras puntuales en la corriente integral de salida de la fábrica, lo cual se realizaba con una frecuencia de dos horas en días aleatorios debido a las frecuentes paradas y arrancadas del proceso, pero siempre luego de 48 horas de recomenzado éste. -Las muestras eran conservadas en frío a 4 C en botellas tapadas y posteriormente mezcladas como muestra compuesta cada 24 horas, y a ésta le eran realizadas las determinaciones analíticas una vez por día. -Los análisis efectuados fueron: DQO, ph, conductividad eléctrica, ácidos grasos volátiles totales (AGVT), alcalinidad total (AT) y contenido de sulfatos, para lo cual se emplearon las técnicas analíticas recomendadas por los Standard Methods (APHA, 1985), con excepción de la DQO, para lo cual se empleó el método rápido desarrollado en el Instituto Cubano de los Derivados de la Caña de Azúcar (ICIDCA) (Conde, et. al., 1978) Procedimiento en la fase II: Para desarrollar los estudios correspondientes a esta fase se operó un filtro anaerobio coe trabajaba con un volumen de mezcla de 2,5 litros. Como material de relleno se emplearon esferas de cristal. La porosidad del relleno y su superficie específica fueron calculadas según los métodos convencionales (Treybal, 1969) siendo éstas de 0,5 y 184 m 2 /m 3 respectivamente.

3 El sistema trabajó a dos valores de T RH, 1 y 5 días, durante tiempo suficiente para verificar el establecimiento del régimen estacionario. El proceso se llevó a cabo a temperatura ambiente, la cual se mantuvo entre C. El sistema estaba compuesto por una bomba peristáltica, la cual succionaba el residual a tratar desde el frasco de alimentación y la inyectaba por la parte inferior del filtro anaerobio. El efluente del filtro salía por reboso a través de un sello hidráulico ubicado en el lateral superior de éste, mientras que por el tope se recogía el gas y se cuantificaba por desplazamiento de agua en un recipiente de Mariotte que contenía agua acidulada a ph 2,5 para evitar la absorción del dióxido de carbono. El residual se conservó en frío a 4 C aunque antes de entrar al filtro se garantizaba que la temperatura de éste estuviera cerca de la ambiental. Los valores de carga orgánica (VCO) operacionales, de acuerdo a los T RH empleados en el proceso, fueron de 2g/L y y de 0,4 g/l en base a DQO. Para la arrancada del reactor se empleó como inóculo inicial el efluente de un digestor industrial que operaba con excreta vacuna, previamente cernido a través de malla de 2mm y en cantidad de 20 % en peso. El volumen del filtro fue completado con el residual a tratar dejándose digerir esta mezcla por espacio de 10 días antes de comenzar la alimentación contínua al filtro anaerobio. Diariamente se determinaron los valores de la DQO y del ph. Fase I: Caracterización del residual. RESULTADOS Y DISCUSION Del análisis de la caracterización físico-química del residual, expuestos en la tabla 1, se puede observar que éste presenta un carácter ligeramente alcalino, motivado posiblemente por la presencia de residuos de sustancias empleadas para la limpieza reiterada de los sistemas tecnológicos debido al régimen de operación de la fábrica, que implica una mayor frecuencia de operaciones de limpieza e impresiciones en la realización de éstas. No obstante, el valor del ph es muy similar al observado en muestras analizadas en oportunidades anteriores a este estudio (Fonte y Escalona, 1995).

4 Tabla 1 Resultados del estudio de carácterización Parámetro Valor medio C.V.(%)* ph 8,36 16,2 DQO (mg/l) ,0 Conductividad(mS) 4,24 131,0 Alcalinidad(mg/L) ,0 AGVT (mg/l) ,8 *Coeficiente de variación. Con relación al valor de la DQO los resultados, aunque con un elevado coeficiente de variación, son similares a los obtenidos en muestros anteriores realizados puntualmente, siendo la diferencia entre éstos de apenas un 3 % (al igual que en el caso del ph), con lo que se confirma que estos residuales son de relativamente bajo contenido de materia orgánica y que se encuentra muy por debajo de lo esperado para esta fábrica (3 500 mg/l). Los valores de conductividad eléctrica denotan un alto contenido de iones que debe estar motivado por el remanente de sustancias empleadas para las operaciones de limpieza, ya que en los resultados de muestreos efectuados poco antes de las paradas o poco después de las arrancadas de la fábrica se observa una coincidencia bastante frecuente entre la elevación del ph, la elevación de la conductividad y el descenso de la DQO. Por otro lado, la alcalinidad total, aunque es baja, resulta muy superior a la observada en caracterizaciones anteriores, lo que refuerza el planteamiento de la frecuencia mayor de las operaciones de limpieza y sus implicaciones sobre la composición del residual integral de la fábrica. Debe resaltarse que aunque el contenido de ácidos grasos volátiles es bajo, la relación AGVT/AT presenta un comportamiento muy inestable, lo cual puede suponerse al observar los altos valores del coeficiente de variación de la AT sobre todo, lo que hace oscilar esta relación desde valores tan altos e impropios para la digestión anaerobia como 1,2 hasta valores de 0,12, aunque sin embargo, en el 60 % de los casos la misma sobrepasa el rango recomendado de 0,1-0,35 planteado por algunos autores (Zickefoose y Hayes, 1976; Jenkins et. al. 1983; Ripley et. al., 1986), e incluso en un 40 % de los casos excede el límite más alto de 0,8 aceptado por otros autores más conservadores pero que acusan de la necesidad de una acción correctiva sobre el sistema al llegar a este límite (Betancourt, 1990). Como dato adicional se le determinó a algunas muestras el contenido de sulfatos detectándose que el valor medio de éstos estaba alrededor de 260 mg/l. Este sulfato proviene del sustrato utilizado en el proceso fermentativo.

5 En general se observa que este residual presenta un amplio intervalo de variación motivado por las características propias de las operaciones del proceso pero que son inherentes no sólo a la industria cervecera sino a otras tales como fábricas de produccción de levaduras y de otros productos alimenticios según consta en trabajos realizados por numerosos investigadores (Obaya et. al., 1988; Guillermo, 1986; Almeida et. al., 1987; Ramos, et. al., 1986; Rojas, 1992; Klijnhout y van den Verg, 1986). Fase II: Funcionamiento del filtro anaerobio. Los resultados de la evaluación del filtro anaerobio trabajando a T RH de 1 día demostraron que el sistema resulta inoperable a ese régimen de flujo, ya que no fue posible alcanzar el régimen estacionario y observarse arrastre de la masa bacteriana desde el material de relleno. A pesar de operar a bajos VCO este resultado negativo puede deberse a las condiciones adversas del residual en cuanto a contenido de algunos compuestos presentes en éste y que son aportados por las sustancias utilizadas en la limpieza de la fábrica que limitan, a estas cargas hidráulicas el desarrollo exitoso de las bacterias, fundamentalmente las metanobacterias. Tampoco debe despreciarse el elevado valor del ph que presenta el residual. Posteriormente se recomenzó todo de nuevo probando con T RH de 5 días. Bajo las nuevas condiciones y luego de haber dejado incubar la mezcla por un período de 10 días, igual que en el caso anterior, se inició la alimentación contínua del residual operándose a una VCO de 0,4 g DQO/L.d, con lo que fue posible alcanzar el régimen estacionario a partir del sexto día de comenzado el bombeo con relación a la reducción de la DQO, la cual osciló en el rango de %. CONCLUSIONES Los resultados de la caracterización físico-química del residual demuestran la necesidad del uso de un tanque de compensación antes de intentar someterlos a tratamiento, con lo que se lograría obtener un residual más homogéneo, aunque queda pendiente la necesidad de reducir el ph de éste, lo que podría lograrse con una dosificación de los propios mostos que se utilizan como sustrato en el proceso productivo. Se demuestra que como sistema de tratamiento con el objetivo de descontaminación el nivel de remoción obtenido a T RH de 5 días es aceptable, sin embargo es recomendable estudiar el comportamiento del proceso a T RH entre 1 y 5 días con vistas a disminuir, aún más, el volumen de reactor necesario para lograr la anaerobiosis adecuada del residual.

6 REFERENCIAS -Albagnac, G. Anaerobic process for waste water treatment. Memorias del II Taller Regional sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en América Latina, Ciudad de la Habana, noviembre, Almeida, M.P.; Pérez, J,; Avila, A. y García, L. Estudio de algunas vías de aprovechamiento de los efluentes de destilerías. ICIDCA, 21, 2:4-7, American Public Health Association, APHA-AWWA-WPCF. Standard Methods for the examination of water and wastewaters, XVI edición, McGraw-Hill, Betancourt, S. M. Estudio de los principales sistemas de tratamiento anaerobio de residuales. ICIDCA, 24, 2 y 3: 24-27, Borzacconi, L y López, I. Relevamiento de reactores anaerobios en América Latina. Memorias III Taller Regional sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en América Latina, 263:280, de octubre, Conde, J., Bartos, J., Reyes, A. Determinación rápida de la Demanda Química de Oxígeno (DQO). ICIDCA, 12, 3: 21-31, Fockhaut, M.; Putterman, K. y Pipyn, P. Biogas production heat recovery and simultaneous anaerobic treatment of brewery wastewater. In Anaerobic Digestion: Results of research and demostrations projects. M. P. Ferranti, G. L. Ferrero y P. L'Hermite, editores: , Fonte, H. A. y Escalona, F. R. Perspectivas energéticas de los residuales líquidos de la fábrica de cervezas "Tínima". Memorias de la Conferencia Mundial sobre la Biomasa para la Energía, el Desarrollo y el Medio Ambiente, Ciudad de la Habana, enero 10-13, Guillermo, N. A. Bases para el diseño de la tecnología de tratamiento anaeróbico de la cachaza y los residuos líquidos azucareros. ICINAZ, Tesis de Doctorado, Jenkins, S. R.; Morgan, J. M. y Sawyer, C. T. Journal Water Pollution Control Federation, 55: , Klijnhout, A. F.; van der Verg, P. Some characteristics of brewery effluent. Jour. Inst. Brewery, 92, 5: , Obaya, M. C.; Valdés, E.; Ramos, J. y García, L. Valor biofertilizante de los residuales de las destilerías de alcohol. ICIDCA, 22, 2:18-22, Ramos, J.; Valdés, E.; Obaya, M. y León, O. Caracterización físico-química de las aguas residuales del Central Guatemala. ICIDCA, 21, 2:8-12, 1987.

7 -Ripley, L. F.; Boyle, W. C. y Converse, J. C. Journal of Water Pollution Control Federation, 58: , Rojas, O. Evaluación de la potencialidad de depuración de aguas residuales por digestión anaerobia-estudios a escala piloto. Memorias del II Taller Regional sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en América Latina. Ciudad de la Habana, de noviembre, Treybal, R., Mass Transfer Operations, II. Ediciones R, C. de la Habana, 717 p, Unterstein, K. Biogas generation from brewering by-products. Brauwelt, 127, 41: , Valdés, E. y Montalvo, S. J. Experiencias y perspectivas de los tratamientos anaerobios en Cuba. Memorias del III Taller Regional sobre Tratamiento Anaerobio de Aguas Residuales en América Latina, 319:326, Montevideo, Uruguay, de octubre, Wise, D. L. Fuel gas systems, CRC Series in Bioenergy Systems. Donald L. Wise editor, CRC. Press, Inc., U.S.A., Zickefoose C. y Hayes, R. B. Anaerobic sludge digestion: Operation Manual, EPA 430/ , 1976.