Artículo en PDF
Cómo citar el artículo
Número completo
Más información del artículo
Página de la revista en redalyc.org
Sistema de Información Científica
Red de Revistas Científicas de América Latina y el Caribe, España y Portugal
EVALUACION DE LA DISMINUCIÓN DE LA CARGA CONTAMINANTE DE LA VINAZA
DE DESTILERÍA POR TRATAMIENTO ANAEROBIO
Rosa Catalina BERMÚDEZ­SAVÓN, Juan Alberto HOYOS­HERNÁNDEZ y Suyén RODRÍGUEZ­PÉREZ
Centro de Estudios de Biotecnología Industrial, Universidad de Oriente, Patricio Lumumba s/n, Santiago de Cuba
90500, Cuba.
(Recibidoseptiembre1997,aceptadomayo2000)
Palabras claves: vinaza, fermentación, biodegradación, contaminación
RESUMEN
En el presente trabajo se evalúa la biodegradación, por vía anaerobia, de uno de los principales
contaminantes de la bahía de Santiago de Cuba: la vinaza de la destilería “Hatuey” de esta
ciudad. Las pruebas de biodegradabilidad fueron hechas en biorreactores discontinuos (batch)
de 1 litro de capacidad, midiéndose la producción de metano por un método de desplazamiento
líquido yla remoción de DQO. Se estudia la influencia que tienen sobre el proceso de digestión,
factores comola neutralización del sustratocon sosa cáustica ycal viva yla adición denutrimentos
nitrogenados y fosfatados. Los resultados muestran una buena biodegradabilidad de este resi­
dual, empleando como neutralizantes ambos agentes, yuna baja influencia en el proceso por la
adición de nutrientes al medio de digestión.
Key words: vinasses, fermentation, biodegradation, pollution
ABSTRACT
This research deals with the biodegradation of one of the main pollutants of Santiago de Cuba
bay: the wastewaters from “Hatuey” distillery. The tests were performed in batch anaerobic
digesters at laboratory scale and the measurement of methane production was done by liquid
displacement. The influences of sodium hidroxide and lime as neutralizers, and the addition of
fertilizers as urea and simple superphosfate were studied. The results show a good degradability
using both neutralizers and the fertilizers had a low influence in fermentation.
Rev. Int. Contam. Ambient.
16
(3) 103­107, 2000
INTRODUCCIÓN
Las características de las vinazas obtenidas como
efluentes de la producción de alcohol a partir de la fer­
mentación de las mieles finales de la caña de azúcar, en
las destilerías de nuestro país, varían muy poco, indepen­
dientemente del tratamiento de las mieles finales, del sis­
tema de fermentación o de la recuperación o no de las
levaduras (Valdés
etal
. 1986).
La vinaza es un líquido con partículas en suspensión, de
color marrón, olor característico a mieles finales y sabor a
malta. Debido a algunas de sus características como pH
bajo, materias en suspensión, elevada DQO, se considera
un residuo líquido muy agresivo que provoca serios proble­
mas ambientales en los recursos hídricos en los que se des­
carga. Para su tratamiento se han ensayado métodos físi­
co­químicos, químicos ybiológicos; siendo estos últimos los
más apropiados por la gran cantidad decompuestos orgáni­
cos biodegradables que presentan en su composición
(Sheehan y Greenfield 1980).
Como resultado dela dificultad detratar vinazas y debi­
do a la presencia de numerosos compuestos aún de interés,
R.C. Bermúdez­Savón
etal.
104
se han propuesto diferentes alternativas de tratamiento o de
reutilización: reciclaje de volúmenes del efluente (Cedeño
1995), ferti­riego(Montalvo1983), combustiónyaprovecha­
miento como alimento animal (Bermúdez 1994), entre otros.
Sin embargo, por su elevados valores de carga orgánica, por
los volúmenes que se generan y muchas veces por no contar
con suficiente espacio disponible, resulta viablela aplicación
de la digestión anaerobia con la construcción de reactores de
tasa alta, principalmente UASB (“
upflow anaerobic sludge
blanket
”).
La digestión anaerobia es altamente aplicablepara el tra­
tamiento de vinazas, básicamente debido a las concentracio­
nes en DQO y DBO. Las ventajas conocidas del tratamiento
anaerobio se incrementan cuando la DQO en el agua resi­
dual aumenta. Así es que su aplicación en vinazas está parti­
cularmente bien justificada. Además, la biomasa anaerobia
puede dejarse sin alimentar por semanas y hasta meses, sin
perder actividad metabólica, lo que significa ventaja única e
interesante en el caso de las industrias estacionales, como
son la mayoría de las destilerías. Debido a lo anteriormente
expuesto, la digestión anaerobia se ha consolidado como una
de las opciones más utilizadas para el tratamiento de las
vinazas.
En nuestro Centro se estudia la digestión anaerobia de
este residuo líquido, con el objeto de disminuir la contami­
nación quecausa su disposición final en la bahía deSantia­
go deCuba yproducir biogas, quepuedeser utilizado como
fuente de energía (Brock
etal
. 1994). Para que se lleve a
cabo este proceso de forma eficiente se deben estudiar
parámetros como: calidad del inóculo, presencia de com­
puestos tóxicos o recalcitrantes, comportamiento de los
parámetros de estabilidad del proceso y suplementación
de nutrientes en los casos en que los requiera (Ilangovan y
Noyola 1993, Valdés
etal.
1998).
Como parte de la búsqueda de las condiciones óptimas
de digestión, en este trabajo se estudia el efecto de la utili­
zación de sosa cáustica y cal viva como neutralizantes de
la vinaza; así como, la complementación con nutrimentos
nitrogenados y fosfatados (urea y superfosfato simple).
MATERIALES Y MÉTODOS
Diseño experimental
En el trabajo experimental se abordan dos aspectos:
el pre­ tratamiento y la biodegradación anaerobia poste­
rior de la vinaza. En el pre­tratamiento se estudian dos
factores fundamentales: el ajuste del pH con el
neutralizante escogido (sosa cáustica o cal) y la
complementación con urea y superfosfato simple. Se
concibieron seis variantes experimentales, como se ob­
serva en la tabla I.
Metodología
Para la adición del neutralizante, se toma un volumen
determinado de vinaza (a la que se le ha medio previa­
mente el pH) y se añade aquel bajo agitación y poco a
poco hasta llegar a pH 7. Se anotan los volúmenes con­
sumidos en la neutralización. En la neutralización con cal,
se recomienda mantener en agitación durante 2 horas
para lograr una completa disolución.
Para la adición del nutrimento se tuvieron en cuenta
las relaciones óptimas reportadas para el proceso de di­
gestión, según Ward (1991) y los cálculos se realizaron
manteniendo la relación DQO:N:P ensayadas en otros
trabajos con vinaza (Bermúdez 1991). Para ello se pesa­
ron 2.59 g de superfosfato simple y 5.48 g de urea, que
se adicionaron a 1L de vinaza y mantuvieron en agita­
ción durante 15 minutos.
En el montaje de los biorreactores se inocularon 150
g de un lodo proveniente de estiércol vacuno que pre­
sentaba cierta adaptación al residuo líquido y 100 mL
de vinaza pre­tratada. Se completa a un volumen de 1L
con agua. Los biorreactores fueron mantenidos en un
baño termostatado para lograr el control de la tempera­
tura a 30
0
C durante todo el desarrollo de la experiencia.
Control del proceso de digestión
Como variables de control se midieron la producción
diaria de metano y la remoción de la DQO. La medición
de metano se hizo a través de un método de desplaza­
miento líquido, precedido de un lavado del biogas produci­
do, a través de una solución de sosa (NaOH 1N). La de­
terminación de la DQO se realizó por oxidación con reflu­
jo cerrado según Standard Methods (APHA 1995).
A partir de los datos obtenidos se calculó la veloci­
dad de producción de metano y el % de remoción del
proceso. La remoción se calculó según la fórmula si­
guiente:
DQO
i
– DQO
f
% Remoción = —————————— * 100
DQO
i
donde:
DQO
i
: Demanda química de oxígeno inicial
DQO
f
: Demanda química de oxígeno final
Los resultados obtenidos en la producción de metano se
sometieron a un análisis estadístico de varianza de clasifi­
cación simple y una prueba de Duncan, empleando para
ello el MICROSTAT™.
Agentes neutralizantes
Con nutrimentos
Sin nutrimentos
sosa cáustica
variante 1
variante 2
cal viva
variante 3
variante 4
sin neutralizar
variante 5
variante 6
TABLAI. VARIANTES EXPERIMENTALES EN EL ESTUDIO
DEL PRE­TRATAMIENTO
TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LA VINAZA
105
RESULTADOS Y DISCUSIÓN
Con la caracterización de la vinaza mostrada en la
tabla II, se corrobora que este residuo líquido resulta
agresivo por los elevados valores de carga orgánica que
contiene (DQO) y su pH tan ácido. Sin embargo, debido
a su relación DBO/DQO (0.29­0.65) se puede inferir
que este residuo es fácilmente degradable por métodos
biológicos y en especial, por un proceso anaerobio.
El fósforo presente en el residuo resulta bajo, por lo
que la adición de este nutrimento puede ser favorable
para el desarrollo de la digestión anaerobia. El fósforo
constituye uno de los elementos fundamentales para el
desarrollo de procesos metabólicos esenciales como el
crecimiento, la división celular, la síntesis de energía y de
componentes de la membrana. Los valores de calcio y
de magnesio presentes en la vinaza (Tabla II) están por
debajo de los valores reportados como inhibidores que
son: 2500 a 4500 mg/L para Ca y 1000 a 1500 mg/L para
Mg (Ilangovan y Noyola 1993).
En la figura 1 se muestran los resultados de la medi­
ción de metano producido en un período de tiempo de 21
días. Como puede apreciarse hay una mayor producción
de metano en los tratamientos del 1 al 4 que fueron neu­
tralizados, lográndose mejor ambiente para el crecimien­
to de bacterias metanogénicas que resultan sensibles a
los valores de pH. La digestión anaerobia se lleva a cabo,
de forma eficiente, en un rango estrecho de pH que com­
prende valores entre 6.8 y 7.8, pudiéndose desarrollar a
valores por encima o por debajo de esto, pero con difi­
cultad, por lo que se requiere de una previa neutraliza­
ción de aquellos efluentes cuyos pH se encuentran aleja­
dos de la neutralidad y que serían tratados por vía
anaerobia.
Las diferencias obtenidas en la producción de meta­
no, entre estas cuatro variantes, no resultan significati­
vas según el análisis estadístico realizado y mostrado en
la tabla III. Esto permite inferir que la adición de
nutrimentos tiene una escasa influencia en el incremento
de este proceso, lo que puede deberse a que las concen­
traciones de estos compuestos en la vinaza pueden ser
suficientes para suplementar las necesidades propias de
la microflora que se desarrolla. Hay que recordar que
estas vinazas provienen de melazas, las cuales se repor­
tan como un subproducto rico en micronutrientes.
Aunque el análisis estadístico permite considerar que
tanto la sosa cáustica, como la cal viva pueden ser em­
pleadas como agentes neutralizantes, al evaluar las velo­
cidades de producción obtenidas (Fig. 2), los tratamien­
tos neutralizados con sosa cáustica (variantes 1 y 2) man­
tuvieron mayor velocidad de producción de metano. Esto
Fig. 1. Producción acumulada de metano para las distintas variantes
Parámetros
Valores
pH
4.2
­
4.6
Humedad
92
­
95 %
Densidad
1.0263 g/mL
DQO
45000
­
73600 mg/L
DBO
13000
­
48200 mg/L
Sólidos totales
38600
­
80900 mg/mL
Sólidos volátiles
29144
­
60000 mg/L
Cenizas
1.32
­
5.68 %
Calcio
106 mg/L
Magnesio
480
­
500 mg/L
Proteínas
11.6
­
16 %
Fósforo
41 mg/L
Cloruro
810 mg/L
Nitrógeno total (base seca)
1
­
2 %
TABLAII. CARACTERISTICAS DE LA VINAZA DE LA DES­
TILERIA “HATUEY”
VARIANTE
Diferencia
LSR
Significación
1 y 2
243.0
701.16
ns
1 y 3
13.0
701.16
ns
1 y 4
115.5
727.50
ns
1 y 5
1108.0
727.50
*
2 y 3
256.0
727.50
ns
2 y 4
358.5
739.66
ns
2 y 5
865.0
701.16
*
3 y 4
102.5
701.16
ns
3 y 5
1121.0
739.66
*
4 y 5
1223.5
745.74
*
5 y 6
2.5
701.16
ns
TABLAIII.
RESULTADOS DE LA PRUEBA DE DUNCAN
PARA LOS DIFERENTES TRATAMIENTOS
LSR, regresión lineal simple
ns, no significativo
*significativo
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
Tiempo (dias)
metano(mL)
variante 1
variante 2
variante 3
variante 4
variante 5
variante 6
R.C. Bermúdez­Savón
etal.
106
se puede atribuir a que a este valor de pH ensayado y
con la interacción de la vinaza, que presenta numerosas
sales en su composición, se forman sales de calcio poco
solubles que pueden resultar inhibidoras del proceso
(Koster1987) o no lograr una adecuada capacidad
amortiguadora del medio de ensayo.
A partir de los volúmenes diarios de metano produci­
do, se calcularon las velocidades de producción de me­
tano expresados en mL/días (Fig. 2). Los incrementos
iniciales de las velocidades de producción de metano en
todas las experiencias se logran porque se parte de
vinazas que están neutralizadas, pero a medida que avan­
za el proceso la producción decrece. Como producto de
la fermentación de los compuestos simples o fácilmente
acidificables, que se presentan en cantidades aprecia­
bles en la vinaza, se generan ácidos grasos volátiles du­
rante la fase deacidogénesis que provocan el agotamiento
de la capacidad amortiguadora presente, provocando
desbalances en los valores de pH y equilibrio de produc­
ción/consumo de iones H
+
, cuyos efectos redundan en la
producción de metano por las bacterias metanogénicas.
Sin embargo, se logran valores sostenidos mayores de
estas velocidades, para el caso de los tratamientos neu­
tralizados con sosa, durante toda la experiencia después
del cuarto día.
No obstante, se debe hacer una valoración desde el
punto de vista económico del empleo de uno u otro
neutralizante, a la hora de su valoración para procesos
a mayor escala; puesto que aunque se emplearon me­
nores cantidades de sosa cáustica que de cal (4.98 g y
10 g, respectivamente), los valores en el mercado de
ambos agentes pueden favorecer el empleo de esta úl­
tima.
En la tabla IV se muestran los resultados de las de­
terminaciones de DQO (al inicio y al final), las eficiencias
de remoción obtenidas y los valores de pH finales de los
diferentes biorreactores, para los tratamientos que fue­
ron neutralizados y que reportaron mayor producción de
metano. Como se observa, en todos los casos se lo­
gran remociones de la DQO por encima de 50 % y los
mayores valores en los tratamientos neutralizados con
sosa; lo que confirma lo anteriormente planteado. Se han
reportado en otros trabajos mayores eficiencias, pero con
el empleo de sistemas contínuos o con previas diluciones
de la vinaza a tratar (Driessen
etal.
1994, Noyola 1996).
Los valores de pH se mantuvieron apropiados para el
desarrollo de la metanogénesis y por ello no se requirie­
ron de nuevas neutralizaciones.
CONCLUSIONES
La neutralización de la vinaza previa al tratamiento
anaerobio, favorece el proceso de digestión; lográndose
mantener los valores de pH en rangos óptimos, durante
toda la experiencia.
La adición de los nutrimentos ensayados, bajo estas
condiciones, no tuvo ninguna incidencia en la digestión
anaerobia.
El tratamiento anaerobio es capaz de reducir a más
de la mitad la carga orgánica contaminante.
REFERENCIAS
APHA(1995). Standard Methods for the Examination ofWater
and Wastewater, 19 ed. Washington D.C.
Bermúdez R.C. (1991). Aprovechamientodela vinaza dedestile­
ría en la alimentación. X Foro de Ciencia yTécnica, Cuba.
Bermúdez R.C. (1994). Una variante alternativa para la alimen­
tación animal: vinaza de destilería. Rev. Cubana de Veteri­
naria 4.
Brock T. D.(1994).
BiologyofMicroorganisms
, Prentice­Hall
Nueva Jersey.
CedeñoC. M. (1995).Tequila Production. Crit. Rev. Biotechnol.
15
,1­11.
Driessen W., Tielbard M. yVereijken T. (1994). Experience on
anaerobic treatment of distillery effluent with the UASB
process. Oral PapersPreprints, VII International Symposium
onAnaerobic Digestion, 23­27 January, Cape Town R.S.A.
pp. 253­262.
Ilangovan K. yNoyolaA. (1993).Availabilityofmicronutrients
Variante
DQO
i
DQO
f
pH
Remoción
( mg/L )
(mg/L)
de salida
DQO (%)
1
59500
25585
7.6
57
2
59500
25290
7.7
57.5
3
59500
28560
7.5
52
4
59500
27965
7.5
53
TABLAIV. PARÁMETROS DE FUNCIONAMIENTO PARA
LOS DIFERENTES TRATAMIENTOS CON NEU­
TRALIZACIÓN
Fig. 2. Velocidades de producción de metano durante la experimenta­
ción para las diferentes variantes
0
50
100
150
200
250
300
350
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
T iem po (d ías)
Vel.prod.demetano(mL/días)
variante 1
variante 2
variante 3
variante 4
variante 5
variante 6
TRATAMIENTO ANAEROBIO DE LA VINAZA
107
during anaerobic digestion of molasses stillage using an
upflow anaerobic sludge blanket (UASB) reactor.
Environ. Technol.
14
, 795­799.
Koster I.W. (1987). Abatement of long­chains fatty acids
inhibition of methanogenesis by calcium addition. Biol.
Wastes 22.
Montalvo S. (1983). Utilización de los residuales líquidos
comobiofertilizantes. Conferencias impartidas en el CNIC,
Ciudad Habana, Cuba.
Noyola A. (1996). Tratamientode aguas residuales de destile­
ría. IVSeminario­Taller LatinoamericanosobreTratamiento
deAguas Residuales. 19­22Nov., Bucaramanga, Colombia.
Sheehan G. y Greenfield P. (1980). Utilisation, treatment and
disposal of distillerywastewater. Wat. Res.
14
, 257­277.
ValdésM.E., RamosJ. yObaya M.(1986).Estudiodeltratamiento
anaerobio de los residuales de la industria alcoholera. Rev.
ICIDCA,
20
,12.
Valdés M.E., Ramos J. y Obaya M. (1992). Definición de
parámetros para el tratamientodevinazas de destilería. Rev.
ICIDCA
26
,23­27.
ValdésW., Rodríguez S., Pérez R. yBermúdez C. (1998). Choice
ofan appropiate inoculum toanaerobic digestion ofvinasse.
En: V Taller y Seminario Latinoamericano de Tratamiento
Anaerobio deAguas Residuales, Valparaíso, Chile.
Ward O.P. (1991).
Biotecnologíadelafermentación
. Acribia,
Zaragoza, España.
logo_pie_uaemex.mx