Ensayo Sobre Las Vinazas Del Tequila

Introducción

Hoy en día, una de las mayores problemáticas a las que se enfrenta la industria del Tequila es la del tratamiento de sus aguas residuales, también llamadas vinazas tequileras, lo que pone en riesgo el desarrollo sustentable de esta tan importante actividad industrial. Las vinazas tequileras tienen un alto impacto ambiental debido a su elevado contenido de Materia Orgánica (MO) que expresada como Demanda Química de Oxígeno (DQO) puede alcanzar valores de 60 a 80 gDQO/L (Meza-Pérez, Briones-Méndez & Ilangovan., 1996). Este alto contenido de materia orgánica excluye totalmente el uso de tecnologías convencionales tales como los procesos aerobios cuya capacidad de operación está limitada a concentraciones máximas de 20 gDQO/L. Así pues, la necesidad de implementar nuevas tecnologías para el tratamiento de estos efluentes resulta evidente.

Recientemente, el proceso de Digestión Anaerobia (DA) se ha mostrado como una alternativa interesante para el tratamiento de efluentes con alto contenido de materia orgánica (Olsson, Nielsen, Yuan, Lynggaard-Jensen & Steyer, 2005; Steyer, Bernard, Batstone, & Angelidaki, 2006). La DA presenta varias ventajas respecto a otras tecnologías. Por ejemplo, en los procesos aerobios el agua residual es puesta en contacto con O2 y una gran cantidad de microorganismos que degradan la MO para producir CO2 y agua, de los que posteriormente obtendrán energía. Dado que este proceso les genera una gran cantidad de energía, los microorganismos crecen rápidamente al grado de que parte de la MO del agua residual es convertida en comunidades de células nuevas que se agrupan al final en unlodo orgánico, el cual se convierte en un problema nuevo de eliminación. En cambio, en la DA a pesar de que el agua residual también es puesta en contacto con una gran variedad de microorganismos, al excluir la presencia de oxígeno se logra que la MO sea transformada ahora en CO2 y CH4, por lo que los microorganismos obtienen poca energía a cambio, resultando en una velocidad lenta de crecimiento celular. Así, la mayor parte de la MO del agua residual es convertida en metano mismo que puede ser aprovechado posteriormente. Otras ventajas del proceso de DA son (McCarty, 1964): a) alto grado de remoción de MO, b) baja producción de lodos orgánicos residuales, c) requerimientos mínimos de nutrientes, e) no hay necesidad de suministrar oxígeno disminuyendo sus costos de operación y f) la obtención de metano como sub-producto de valor agregado.

El tratamiento por DA para materia orgánica compleja (MOC) puede considerarse como un proceso en dos etapas: acidogénesis y metanogénesis. En la primera, la MOC (polímeros de grasas, proteínas y carbohidratos) es hidrolizada, fermentada y convertida biológicamente a materia orgánica simple (MOS) por un conjunto de microorganismos llamados comúnmente “acidogénicos”. El principal producto de esta primera etapa son ácidos grasos orgánicos de cadena corta, también conocidos como Ácidos Grasos Volátiles (AGV’s), los cuales son fácilmente degradados por los microorganismos de la segunda etapa. Por consiguiente, en la última etapa, los ácidos orgánicos son convertidos en CO2 y CH4 (como productos finales del proceso) por un grupo de microorganismos llamados “metanogénicos”.

A través de los años,las reacciones que conforman el proceso de DA han sido llevadas a cabo en su mayoría utilizando un solo reactor, a lo que se conoce como procesos de DA de una sola etapa. Sin embargo, este tipo de configuración puede presentar problemas frecuentes de operación, ya que se debe de mantener un equilibrio entre las poblaciones de microorganismos y ambientes adecuados de crecimiento celular (van Andel & Breure, 1984). En la práctica, este equilibrio se favorece (pero no se garantiza) incrementando el tiempo de residencia del digestor y evitando variaciones abruptas en la concentración de MO del influente. Sin embargo, aún teniendo estas precauciones, la operación adecuada de este tipo de procesos puede verse afectada, ya que los microorganismos acidogénicos se adaptan más rápidamente que los metanogénicos, acelerando la velocidad de fermentación ácida y, por consecuencia, un aumento en la concentración de AGV’s, efecto que se ve reflejado en el proceso por una disminución del pH. Bajo estas circunstancias el proceso se encuentra bloqueado dado que las poblaciones microbianas están fuera de equilibrio (Cohen, Breure, van Andel, & van Deursen, 1982). Así, varios investigadores han sugerido la separación de las “fases” como una buena alternativa para resolver este problema, basados en el argumento de que los grupos de microorganismos acidogénicos y metanogénicos tienen necesidades diferentes de nutrientes y requieren ambientes distintos para un crecimiento óptimo (Ke, Shi, & Fang, 2005; Azbar & Speece, 2001; Ince, 1998; Cohen et al., 1982). A este proceso de separar espacialmente las comunidades de microorganismos mediante el uso dedos reactores en serie, en los cuales se mantienen las condiciones óptimas para cada uno de los grupos a fin de incrementar la velocidad de recambio para el proceso completo y permitir una reducción del tamaño total de la planta se le conoce como DA en dos etapas. En la primera etapa conocida como fermentación ácida se favorece la producción de metabolitos intermedios compuestos principalmente por AGV’s. En la segunda etapa conocida como acetogénesis-metanogésis los compuestos intermedios son convertidos a CH4 y CO2 (Ke et al., 2005). A diferencia del proceso en una sola etapa, donde los microorganismos acidogénicos y metanogénicos se encuentran en el mismo digestor, en el proceso en dos etapas la comunidad bacteriana del primer digestor está compuesta principalmente por microorganismos acidogénicos, mientras que en el segundo digestor se encuentra formada principalmente por microorganismos metanogénicos (Azbar & Speece, 2001; Ince, 1998). Esto se logra mediante condiciones específicas de operación que favorecen el desarrollo de cada una de las comunidades microbianas. Es claro que bajo la configuración en dos etapas el proceso puede ser operado de una manera más eficiente, ya que los microorganismos acidogénicos no pueden crecer más que los metanogénicos. De hecho, la actividad específica es también mejorada teniendo las poblaciones acidogénicas principales en el primer reactor y las metanogénicas en el segundo (van Andel & Breure, 1984).

Los principales beneficios de la DA en dos etapas son (Cohen, Zoetemeyer, van Deursen & van Andel, 1979):

Optimización del proceso. La posibilidad de mantener condiciones óptimas enlos ambientes de cada grupo de microorganismos permite una reducción en el tamaño total de la planta.

Mejoramiento de la estabilidad operacional. Por medio de una velocidad de alimentación adecuada al reactor metanogénico, es posible garantizar un equilibrio entre las poblaciones acidogénicas y metanogénicas, lo cual previene una acumulación excesiva de AGV’s y, consecuentemente, un descenso del pH evitando el cese en la producción de metano.

Planteamiento del problema

Debido a la creciente preocupación respecto a la calidad con la que las aguas residuales de la industria del Tequila son emitidas al medio ambiente y, por consecuencia, al cumplimiento de la normatividad cada vez más rigurosa que regula su emisión, el estudio de la DA como una alternativa viable para el tratamiento de estos efluentes resulta evidente. Particularmente, a fin de mejorar la estabilidad operacional de estos procesos, resulta interesante evaluar el desempeño que se puede obtener del proceso de DA en dos etapas para el tratamiento de vinazas tequileras.

Discusión

Es posible la implementación de un proceso de digestión anaerobia en dos etapas para el tratamiento de las aguas residuales de la industria del tequila bajo condiciones mesofílicas. Debido a que la operación de este tipo de procesos necesita de la separación de las poblaciones microbianas, de tal manera que las poblaciones acidogénicas se desarrollen en el primer reactor y las metanogénicas en el segundo reactor, es necesario diseñar y aplicar un protocolo de arranque y selección que permitiera tanto el desarrollo de la biopelícula adherida al lecho del biorreactor como laseparación de tales microorganismos en los reactores. Tal protocolo de arranque y selección puede consistir en el cambio gradual de la CVA, TRH y pH, de tal forma que debido a estos cambios, se inhibiera una población microbiana en particular en cada biorreactor.

Mediante un protocolo de arranque y selección adecuado, es posible consiguir la separación de fases en cada uno de los reactores. Tal separación de fases podría permitir en la etapa acidogénica, trabajar a velocidades de cargas orgánicas elevadas de alrededor de 20.0 g DQO/L d y con tiempos de retención hidráulicos muy cortos de 1.5 días, y al finalizar la etapa de arranque y selección, el reactor acidogénico podría alimentarse con efluentes sin diluir, es decir, con una carga orgánica cercana a los 40.0 g DQO/L, lo que demuestra el gran potencial latente de este tipo de proceso. También debido a la separación de fases en el reactor metanogénico, esta etapa podría operarse con una velocidad de carga orgánica de alrededor de 8.0 g DQO/L d y un tiempo de retención hidráulico de 3.0 días, lo que también muestra la fortaleza de este proceso.

Conclusiones

El reactor acidogénico se podría operar a un pH ácido que se mantendría alrededor de 5.0. Además, como resultado de la separación de fases, se alcanzaron concentraciones elevadas de AGVs (alrededor de 5.0

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