ESTUDIO DE LA ETAPA HIDROLÍTICA DE LA DEGRADACIÓN ANAEROBIA DE ALMIDÓN EN RESIDUOS DE MAÍZ Lorna Guerrero Saldes (*) Universidad Técnica Federico Santa María Académico del Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales de la Universidad, Institución en la que trabaja hace 18 años. Tiene numerosas publicaciones en revistas indexadas (1 publicaciones los últimos 5 años), en el tema de tratamiento de aguas y sólidos residuales industriales, con énfasis en el tratamiento anaerobio. El año 23 edita el libro Tratamiento Anaerobio de Residuos. Purificación de Biogás, en la USM, con el co-autor cubano Dr. Silvio Montalvo. Rolando Chamy Universidad Católica de Valparaíso Cecilia Rivadeneira Universidad Técnica Federico Santa María Dirección postal del autor principal (*):Departamento de Procesos Químicos, Biotecnológicos y Ambientales, Universidad Técnica Federico Santa María, Avda. España 168 Valparaíso, CHILE Teléfono: 56-32-65433 Fax:56-32-654478 e-mail: lorna.guerrero@usm.cl RESUMEN El presente trabajo tiene como objetivo el estudio de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón, en reactores de dos fases, trabajando con residuos de maíz. Se estudió la cinética hidrolítica evaluando el efecto del tamaño de partícula, para lo cual se trabajó con dos diámetros de partícula de los residuos,.354 y 1.68 (mm). También se analizó degradación que sufre el sustrato (almidón) por degradación natural. El trabajo experimental se realiza en reactores batch de volumen 4 (ml), sumergidos en un baño termostatado a 37 (ºC) con agitación constante de 12 (r.p.m). Los reactores anaerobios trabajan con 1.5 (g DQO/L) y.5 (g SSV/L) e iguales cantidades de nutrientes y ph cercano a 7, por corresponder a lo óptimo para las bacterias anaerobias. En la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz se tiene que para los tamaños de partícula estudiados se logra una hidrólisis máxima de 92 % para el mayor tamaño de partícula (1.68 mm) y una duración de la etapa hidrolítica de 14 días, mientras para el menor tamaño de partícula (.354 mm) se logra una hidrólisis máxima del almidón del 95 % durando la etapa hidrolítica 17 días. No se manifiestan claros efectos del tamaño de partícula en la hidrólisis del almidón en residuos de maíz, siendo superior en dos puntos porcentuales la hidrólisis máxima lograda por el menor tamaño de partícula estudiado. En el proceso de degradación natural de almidón se obtiene una hidrólisis máxima promedio de 88 % y la etapa hidrolítica tiene una duración de 21 días. El proceso de degradación anaerobia por microorganismos resulta levemente más eficiente frente al proceso de degradación natural que sufre el sustrato en los respectivos residuos, siendo el tiempo requerido en lograr la hidrólisis máxima el factor que los diferencia. Las cinética hidrolítica que presenta la degradación bacteriana posee mayor velocidad de degradación que la presentada por el proceso de degradación natural, sin embargo ambos procesos son capaces de obtener similares niveles de hidrólisis máximas. Palabras Claves : digestión anaerobia, residuos sólidos, maíz INTRODUCCION El estudio y desarrollo de nuevas tecnologías para el tratamiento de los residuos sólidos, tanto urbanos como industriales, pone especial énfasis en la fracción orgánica de ellos. La fracción orgánica comprende todo el material formado por células orgánicas, restos de animales, vegetales, microorganismos, efluentes de la industria alimentaria, aguas servidas y otros. La digestión anaerobia se presenta como una alternativa sustentable a los sistemas convencionales, de acuerdo con las políticas ambientales y el desarrollo económico.
Al tratarse de degradar residuos orgánicos líquidos de alta carga, en la mayoría de los casos, la mejor alternativa es la digestión anaerobia, por lo tanto, es posible pensar en este tipo de tratamiento para los residuos sólidos. La digestión anaerobia es un proceso bioquímico que transforma el material contaminante en gas, principalmente metano (CH 4 ) y dióxido de carbono (CO 2 ), trazas de hidrógeno (H 2 ), ácido sulfhídrico (H 2 S), monóxido de carbono (CO), nitrógeno (N 2 ), además de una suspensión acuosa de materiales sólidos (lodos) y componentes difíciles de degradar. En el proceso anaerobio de sólidos, la etapa hidrolítica es la etapa más lenta, y por tanto, la que controla la cinética en el caso de sustratos complejos de tipo particulado (Montalvo y Guerrero, 23). En el presente trabajo se estudia de la etapa hidrolítica de la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz. Estudiando la cinética de la hidrólisis y evaluando el efecto del tamaño de partícula en la cinética hidrolítica para lo cual se trabaja con dos tamaños de partícula en los residuos,.354 y 1.68 (mm). Para finalmente proponer un modelo cinético, cabe destacar que pocos autores son los que consideran el paso de hidrólisis y acidificación en sus modelos, entre los que destacan Hill (1982), Palmowski y Muller (2), Sanders et al. (1999), Angelidaki et al. (1999), Veeken y Halers (1997), Bagley et al. (1999). La mayoría de estos modelos utilizan la cinética de primer orden (ecuación 1) para simular la fase de hidrólisis, algunos considerando un único proceso general de hidrólisis de materia orgánica insoluble (Hill, 1982; Veeken y Halers, 1997). X t S = K H X S (1) MATERIALES Y MÉTODOS Descripción del Equipo Utilizado Este trabajo se lleva a cabo en ocho reactores batch de volumen 4 (ml), sumergidos en un baño termostado a 37 (ºC) con agitación constante de 12 (r.p.m). Los reactores anaerobios trabajan con 1.5 (g DQO/L) y.5 (g SSV/L) e iguales cantidades de nutrientes (.4 ml de macronutrientes y micronutrientes) y ph cercano a 7, por corresponder a lo óptimo para las bacterias anaerobias. Cada reactor está conectado a una salida de gas el que es medido por desplazamiento de líquido y que sería un parámetro indicativo del fin de la etapa hidrolítica. En la figura 1 se presenta un esquema del equipo utilizado. Metodología Empleada El sustrato utilizado corresponde a maíz seco molido y clasificado, el estudio se hizo para dos tamaños de partícula, tamaño de partícula menor (T.P. Menor) con un diámetro promedio (Ø 1 ) de Ø 1 =.354 [mm] y un tamaño de partícula mayor (T.P. Mayor) con un diámetro promedio (Ø 2 ) de Ø 2 =1.68 [mm]). Para cada tamaño de partícula usados se dispuso de su correspondiente duplicado, además de otro reactor que contiene sólo maíz y agua (sin lodo), que corresponde a la degradación natural, con el objetivo de comparar la degradación por bacterias anaerobias con la degradación natural que sufre el almidón producto de sus enzimas. Por último se preparó un reactor (y su correspondiente duplicado) llamado blanco, el que contiene sólo lodo y agua, éste con el objeto de restar a los reactores en estudio(a los reactores que contienen sustrato, lodos y nutrientes) el efecto de degradación producto de las mismas bacterias anaerobias. l Procedimiento para llevar a cabo los ensayos fue el siguiente: - Acondicionamientos previos: Se caracteriza el lodo a inocular los reactores, las soluciones de macro y micro nutrientes, además del sustrato en estudio. - Carga inicial: Se cargan los reactores, según las experiencias a estudiar, considerando una concentración de lodo de,5 [gssv/l] y una concnetración de sustrato de 1,5 [gdqo/l].
- Operación y control: La operación del sistema de digestores comprende básicamente mantener el nivel del baño termostático así como la agitación debe ser constante. La toma de muestra debe hacerse con bastante cuidado ya que cada muestra no debe exceder aproximadamente los 2 ml para no tener el inconveniente que sea insuficiente el volumen inicial del digestor, además el digestor se debe homogenizar agitándola manualmente antes de la toma de muestra para procurar que ésta sea lo más representativa posible. Los parametros de control estudiados fueron: ph, DQO, SST, SSV y porcentaje de almidón. 1.- Red de suministro eléctrico 2.- Transformador 3.- Baño Termostatado 4.- Soportes metálicos 5.- Reactor 6.- Mangueras plásticas 7.- Tubos antirretorno 8.- Probeta para medir biogás producido 9.- Envase con solución lavadora de gases 1.- Tapones de goma 11.- Capilar de vidrio Figura 1: Configuración del Equipo usado en la Degradación Anaerobia de Almidón en Residuos de Maíz RESULTADOS En la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz (figura 2) se tiene que para los tamaños de partícula estudiados se logran bajas concentraciones de almidón que corresponden a una hidrólisis máxima de 92 % para el mayor tamaño de partícula (1.68 mm) y una duración de la etapa hidrolítica de 14 días, mientras para el menor tamaño de partícula (.354 mm) se logra una hidrólisis máxima del almidón del 95 % durando la etapa hidrolítica 17 días. No se manifiestan claros efectos del tamaño de partícula en la hidrólisis del almidón en residuos de maíz, siendo superior en dos puntos porcentuales la hidrólisis máxima lograda por el menor tamaño de partícula estudiado. En el proceso de degradación natural de almidón (figura 3) se obtienen concentraciones que representan una hidrólisis máxima promedio de 88 % y la etapa hidrolítica tiene una duración de 21 días, en la degradación natural de aceite se logra una hidrólisis máxima de 93 % y la etapa hidrolítica tiene una duración de 14 días. En la figura 4 se presenta la biodegradabilidad de la materia orgánica para ambos tamaños de partículas. Se observan diferentes velocidades de degradación siendo levemente más alta para el menor tamaño de partícula,; además, se presentan períodos de posible inhibiciones, pero en cada uno en diferentes etapas de la degradación. Para el tamaño de partícula mayor éste se presenta entre los días 1 a 17 y para el tamaño de partícula menor se puede decir que existe un posible inhibición entre los días 17 a 24. En lo que dura la experiencia, se degradan un 75 % y 78 % de la D.Q.O. total para los tamaños mayor y menor respectivamente, los valores resultan ligeramente diferentes.
Concentración (ppm) 16 14 12 1 8 6 4 2 Concentración de Almidón T.P. Mayor T.P. Menor: y = 1241,7e -,1777x T.P. Menor R 2 =,931 T.P. Mayor: y = 922,92e -,1775x R 2 =,7921 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Figura N 2: : Concentración de almidón en la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz para los tamaños de partículas estudiados Concentración (ppm) 18 16 14 12 1 8 6 4 2 Concentración de Almidón y = 2.4219x 2-116.18x + 1537.2 R 2 =.971 Deg. Natural Deg. Bacteriana 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Figura N 3: Concentración de almidón en la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz para los procesos bacteriano y natural. Biodegradabilidad de la Materia Orgánica Total Biodegradabilidad (%) 1 8 6 4 2 T.P. Mayor T.p. Menor 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Tiempo (Días) Figura 4: Biodegradabilidad de la materia orgánica en la degradación de almidón en residuos de maíz para diferentes tamaños de partículas
Analizando la degradación de almidón se obtiene una constante hidrolítica de.1547 y.1719 [Kg/m 3 día] para los tamaños de partícula mayor (Ø = 1.68 mm) y menor (Ø =.354 mm), respectivamente. En la figura 5 se muestran las gráficas correspondientes a éste cálculo para ambos tamaños de partículas estudiados. 16 14 Tamaño Mayor de Partícula (1.68 mm) Ln(concentración) 12 1 8 6 4 2 y = -,1547x + 13,532 R 2 =,885 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Tamaño Menor de Partícula (.354 mm) Ln(concentración) 16 14 12 1 8 6 4 2 y = -,1719x + 13,864 R 2 =,9161 2 4 6 8 1 12 14 16 18 2 22 24 Figura Nº5: Constante hidrolítica en la degradación anaerobia de almidón en residuos de maíz para los tamaños de partícula estudiados.
La constante hidrolítica que resulta para el menor tamaño de partícula es más alta que para el tamaño mayor, lo que coincide con lo experimental ya el menor tamaño de partícula presenta una velocidad de degradación mayor. Se puede decir entonces que desde el punto de vista de la constante hidrolítica según un modelo de primer orden sí se aprecia un efecto del tamaño de partícula de los sólidos. CONCLUSIONES En la degradación del sustrato estudiado, el proceso de degradación anaerobia por microorganismos resulta levemente más eficiente frente al proceso de degradación natural que sufre el sustrato en el residuos, siendo el tiempo requerido en lograr la hidrólisis máxima el factor que los diferencia. Las cinética hidrolítica que presenta la degradación bacteriana posee mayor velocidad de degradación que la presentada por el proceso de degradación natural, sin embargo ambos procesos son capaces de obtener similares niveles de hidrólisis máximas. La velocidad con que ocurre la degradación del almidón ó la hidrólisis de éste resulta inversamente proporcional al tamaño de partícula, esto es, para los tamaños de partículas estudiados se obtuvo que la mayor velocidad de degradación se logra por el tamaño de partícula menor; mientras que la menor velocidad de degradación la obtuvo el tamaño de partícula mayor. Para un modelo de hidrólisis de primer orden propuesto (ecuación 1), en función del tiempo y de la cantidad de sustrato presente, se obtienen constantes hidrolíticas de.1547 y.1719 [Kg/m 3 día] para los tamaños de partícula mayor (Ø = 1.68 mm) y menor (Ø =.354 mm), respectivamente. Por lo tanto desde el punto de vista de la constante hidrolítica para un modelo de primer orden como el propuesto, se puede decir que se refleja el efecto del tamaño de partícula en la hidrólisis del almidón en residuos de maíz REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS Angelidaki, I., Ellegaaard, L., Ahring, B.K.: A comprehensive model of anaerobic bioconversion of complex substrates to biogas. Biotechnology and Bioengineering. 63 (3): 363-372. 1999. Bagley, A; Scharer, J.M; Moo-Young, M: Anaerobic Digestion of Native Cellulosic Wastes. Mircen Journal of Applied Microb. and Biotechnol., 2, 1995. Hill, D.T: A comprehensive dynamic model for animal waste methanogenesis. Transaction of the ASAE, 25 pág. 1374-138. 1982. Montalvo, S., Guerrero, L. (23) Tratamiento anaerobio de residuos. Producción de biogás. Editor: Universidad Técnica Federico Santa María, Valparaíso, Chile. Palmowski, L.M. and Muller, J.A: Influence of the size reduction of organic waste on their anaerobic digestion. Wat. Sci. Tech, 41(3), 17-24. 2. Sanders, W.T.M., Geerink, M., Zeeman, G., Lettinga, G: Anaerobic hydrolysis Kinetics of particulate substrates. Proceedings of II International Symposium on anaerobic digestion of solid waste. Barcelona, pg, 25-32. 1999. Veeken, A., Hamelers, B: Effect of temperature on hydrolysis rates of selectes biowaste components. Bioresource technology. Vol. 29, 249-254. 1997.