INTRODUCCIÓN

La industria cafetalera, por el beneficio húmedo convencional del café y en menor proporción por las fábricas de café soluble, es una de las principales contaminantes de las aguas en Latinoamérica (García, 2004). Las aguas residuales de la industria de café soluble, están constituidas por una variedad de componentes inorgánicos y orgánicos, sólidos disueltos y suspendidos (Wisniewski et al., 2018), además de compuestos fenólicos (Oliveira et al., 2013). Esto hace que dicha industria, se caracterice por ser una de las más sucias del mundo, con efectos ambientalmente severos (Álvarez et al., 2011).

En Ecuador la producción de café soluble representa una de las principales industrias, debido a la cantidad de divisas que esta genera por concepto de exportación. Sólo para el año 2016, representó el 91,2% de la exportación total de café del país (Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuicultura y Pesca - MAGAP, 2016) y recientemente se ubicó como el cuarto país exportador de café soluble, después de Brasil, Alemania e India.

Se estima que durante la producción de café soluble, se generan entre 40 y 45 L de aguas residuales por kilogramo de café procesado, caracterizadas por poseer una alta carga contaminante en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO) (Ibarra-Taquez et al., 2017). Su descarga en cuerpos de agua ocasiona un aumento en la contaminación orgánica, un incremento en la concentración de materia suspendida, más turbidez, drásticas disminuciones del pH, malos olores y pérdida de la calidad visual, lo que imposibilita el aprovechamiento del vital líquido para consumo humano o uso industrial, así como el desarrollo de la comunidad acuática (Guardia, 2012).

Distintos son los procedimientos utilizados para dar respuesta a esta problemática ambiental, siendo uno de ellos los biológicos por ser rentables y amigables con el medio ambiente, los cuales además tienen como ventaja la eliminación de sustancias orgánicas biodegradables, cuando estas están presentes (Show y Lee, 2016). Ejemplo de los procesos biológicos son los cultivos en suspensión, fangos activados, digestión aerobia o anaerobia, para la desnitrificación, eliminación biológica de fósforo u otros compuestos, por la acción de microorganismos tales como bacterias, protozoos, hongos, algas, rotíferos o nematodos (Ferrer et al., 2018).

La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno, que produce una mezcla de gases llamada biogás y una suspensión acuosa la cual contiene los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica (Lorenzo y Obaya, 2005). Uno de los aspectos a considerar en la digestión anaerobia para evitar altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno y por ende bajos rendimientos de metano, es la adecuada elección del inóculo a utilizar, así como su adaptación al sustrato antes de la puesta en marcha del reactor (Ferrer y Pérez, 2010). La procedencia del inóculo así como la afinidad con el nuevo sustrato, son aspectos a tener en cuenta para garantizar menores tiempos de arranque en los reactores, mayor actividad biológica y mayor producción de metano (Cárdenas-Cleves et al., 2016). Esta selección representa una etapa crucial para garantizar un funcionamiento estable y una tolerancia al estrés en la digestión anaerobia (De Vrieze et al.,2015). Para que los lodos inoculados actúen eficientemente en el reactor, deben presentar un porcentaje ≥ 50% de sólidos suspendidos volátiles (SSV) (Norma Alemana VDI 4630, 2006). Dhamodharan et al. (2015), evaluaron el efecto de cinco tipos de estiércol de: aves de corral (PD), cabra (GD), estiércol de vaca (CD), estiércol de cerdos (PGD) y estiércol de rinoceronte (RD) en la digestión anaerobia de desperdicios de alimentos, al ser utilizados como inóculos en reactores discontinuos. Los resultados indicaron que los inóculos del estiércol de vaca y de cerdos, era los más adecuados para la digestión anaeróbica de los residuos tratados en relación a otros excrementos de ganado. Los reactores inoculados con estiércol vacuno, lograron una mayor producción de metano (227 mL/gVS degradado) y degradación de sólidos volátiles (54,6%).

Por su parte Del Real e Islas (2010), emplearon bacterias provenientes del rumen vacuno en un reactor anaerobio mesofílicos por lotes, usando como sustrato aguas residuales del despulpado de café, con una adecuada adaptación del inóculo, demostrado con la degradación de la carga orgánica de hasta un 91,2% de la DQO, comprobando además que la cantidad de metano generado está en relación directa con la disminución en la DQO.

Se conoce que tanto en los Países Bajos como en el Reino Unido, los procesos anaerobios se utilizan con éxito para tratar las aguas residuales generadas durante la producción de café instantáneo (Melo et al., 2014) y recordando que la adaptación del inóculo es una etapa fundamental en este proceso, se realizó este trabajo con el objetivo de evaluar la adaptación de un inóculo en dos regímenes de temperatura, para la digestión anaerobia de aguas residuales de café instantáneo.

MATERIALES Y MÉTODOS

La industria cafetalera, por el beneficio húmedo convencional del café y en menor proporción por las fábricas de café soluble, es una de las principales contaminantes de las aguas en Latinoamérica (García, 2004). Las aguas residuales de la industria de café soluble, están constituidas por una variedad de componentes inorgánicos y orgánicos, sólidos disueltos y suspendidos (Wisniewski et al., 2018), además de compuestos fenólicos (Oliveira et al., 2013). Esto hace que dicha industria, se caracterice por ser una de las más sucias del mundo, con efectos ambientalmente severos (Álvarez et al., 2011).

En Ecuador la producción de café soluble representa una de las principales industrias, debido a la cantidad de divisas que esta genera por concepto de exportación. Sólo para el año 2016, representó el 91,2% de la exportación total de café del país (Ministerio de Agricultura, Ganadería, Acuicultura y Pesca - MAGAP, 2016) y recientemente se ubicó como el cuarto país exportador de café soluble, después de Brasil, Alemania e India.

Se estima que durante la producción de café soluble, se generan entre 40 y 45 L de aguas residuales por kilogramo de café procesado, caracterizadas por poseer una alta carga contaminante en términos de Demanda Química de Oxígeno (DQO) (Ibarra-Taquez et al., 2017). Su descarga en cuerpos de agua ocasiona un aumento en la contaminación orgánica, un incremento en la concentración de materia suspendida, más turbidez, drásticas disminuciones del pH, malos olores y pérdida de la calidad visual, lo que imposibilita el aprovechamiento del vital líquido para consumo humano o uso industrial, así como el desarrollo de la comunidad acuática (Guardia, 2012).

Distintos son los procedimientos utilizados para dar respuesta a esta problemática ambiental, siendo uno de ellos los biológicos por ser rentables y amigables con el medio ambiente, los cuales además tienen como ventaja la eliminación de sustancias orgánicas biodegradables, cuando estas están presentes (Show y Lee, 2016). Ejemplo de los procesos biológicos son los cultivos en suspensión, fangos activados, digestión aerobia o anaerobia, para la desnitrificación, eliminación biológica de fósforo u otros compuestos, por la acción de microorganismos tales como bacterias, protozoos, hongos, algas, rotíferos o nematodos (Ferrer et al., 2018).

La digestión anaerobia es una fermentación microbiana en ausencia de oxígeno, que produce una mezcla de gases llamada biogás y una suspensión acuosa la cual contiene los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica (Lorenzo y Obaya, 2005). Uno de los aspectos a considerar en la digestión anaerobia para evitar altas concentraciones de sulfuro de hidrógeno y por ende bajos rendimientos de metano, es la adecuada elección del inóculo a utilizar, así como su adaptación al sustrato antes de la puesta en marcha del reactor (Ferrer y Pérez, 2010). La procedencia del inóculo así como la afinidad con el nuevo sustrato, son aspectos a tener en cuenta para garantizar menores tiempos de arranque en los reactores, mayor actividad biológica y mayor producción de metano (Cárdenas-Cleves et al., 2016). Esta selección representa una etapa crucial para garantizar un funcionamiento estable y una tolerancia al estrés en la digestión anaerobia (De Vrieze et al., 2015). Para que los lodos inoculados actúen eficientemente en el reactor, deben presentar un porcentaje ≥ 50% de sólidos suspendidos volátiles (SSV) (Norma Alemana VDI 4630, 2006).

Dhamodharan et al. (2015), evaluaron el efecto de cinco tipos de estiércol de: aves de corral (PD), cabra (GD), estiércol de vaca (CD), estiércol de cerdos (PGD) y estiércol de rinoceronte (RD) en la digestión anaerobia de desperdicios de alimentos, al ser utilizados como inóculos en reactores discontinuos. Los resultados indicaron que los inóculos del estiércol de vaca y de cerdos, era los más adecuados para la digestión anaeróbica de los residuos tratados en relación a otros excrementos de ganado. Los reactores inoculados con estiércol vacuno, lograron una mayor producción de metano (227 mL/gVS degradado) y degradación de sólidos volátiles (54,6%).

Por su parte Del Real e Islas (2010), emplearon bacterias provenientes del rumen vacuno en un reactor anaerobio mesofílicos por lotes, usando como sustrato aguas residuales del despulpado de café, con una adecuada adaptación del inóculo, demostrado con la degradación de la carga orgánica de hasta un 91,2% de la DQO, comprobando además que la cantidad de metano generado está en relación directa con la disminución en la DQO.

Se conoce que tanto en los Países Bajos como en el Reino Unido, los procesos anaerobios se utilizan con éxito para tratar las aguas residuales generadas durante la producción de café instantáneo (Melo et al., 2014) y recordando que la adaptación del inóculo es una etapa fundamental en este proceso, se realizó este trabajo con el objetivo de evaluar la adaptación de un inóculo en dos regímenes de temperatura, para la digestión anaerobia de aguas residuales de café instantáneo.

Una vez estabilizado el inóculo, se adicionó a los reactores en una cantidad equivalente al 30% de su volumen efectivo. Luego se alimentó el sustrato con un flujo semicontinuo de agua a razón de 200 mL/día, para contribuir con la adaptación de la población de microorganismos a las condiciones de operación. Durante toda la experimentación se controló el pH entre 6,5 y 7 para evitar la acidificación del reactor, además de la temperatura para garantizar el régimen de trabajo impuesto (régimen mesofílico 35ºC y termofílico 55ºC).

Los reactores se operaron con recirculación tres veces al día durante media hora por medio de bombas peristálticas, para garantizar el contacto de la biomasa con el sustrato y evitar la existencia de zonas muertas en el reactor (Gutiérrez y Olmo, 2007). La carga orgánica volumétrica varió en función de la concentración de DQO del residual captado en la empresa generadora y se calculó usando (1).

Donde BV es la carga orgánica volumétrica (kgDQO/m3.d), So es la concentración del sustrato en el influente (kgDQO/mL), Q es el flujo de alimentación (mL/d) y V es el volumen total del digestor (m³). Para la producción de metano, se registró el volumen de gas producido diariamente, usando el método de desplazamiento de un líquido (solución de NaOH al 15%) en una botella de Mariotte. La cantidad de metano se registró en función de la cantidad de líquido desplazado y medido mediante probetas graduadas.

Registro estadístico

La representación gráfica de los resultados obtenidos, se realizó usando Microsoft Excel 2010, el que también sirvió para analizar las diferencias en las medias de la producción de metano por reactor para cada régimen de temperatura.

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización del inóculo

La experimentación se llevó a cabo durante 49 días para lograr la estabilización del inóculo. Se obtuvo un pH cercano a la neutralidad (6,5–7,5) y un contenido de sólidos suspendidos volátiles (SSV) superiores a 50% en base seca (entre 57,4% y 66,0%), siendo este un valor adecuado para ser usado en la digestión anaerobia sin que cause inconvenientes en el proceso (Norma Alemana VDI 4630, 2006). Resultados similares se reportaron en la evaluación de dos inóculos, uno proveniente de un digestor tipo laguna anaerobia de la industria láctea y otro de un digestor tipo UASB de la industria cervecera, cuyos valores de pH fueron de 7,1 y 8,6 y para los sólidos suspendidos volátiles de 51,6% y 52,0% respectivamente, dando mejores resultados de adaptación para el inóculo de la industria cervecera al residuo orgánico empleado, produciendo un mayor rendimiento de biogás y concentración de metano (Nakasima-López et al., 2017).

Para el arranque de un sistema de digestión anaerobia termófila, se empleó estiércol de vaca como inóculo el cual se caracterizó por tener un pH cercano a 7 y 79,3% de SSV en base húmeda. La aclimatación se llevó a cabo durante 30 días a una temperatura de operación de 55°C. Los porcentajes de metano obtenidos, revelaron una elevada actividad metanogénica y rápida aclimatación del inóculo al rango termófilo (Camacho et al., 2017). En el tratamiento de aguas residuales de una planta de sacrificio bovino, utilizaron como inóculo, estiércol vacuno pre incubado a 25°C. La composición del inóculo fue de 65% de SSV con respecto a la fracción de los ST y el tiempo de operación fue de 30 días. La fuente de inóculo empleada, así como el tiempo de digestión permitió obtener porcentajes de remoción de materia orgánica acordes con las conversiones que alcanza la tecnología anaeróbica (Castro- Molano et al., 2016).

Caracterización del sustrato

Se trabajó con un total de 9 muestras compuestas, usadas a lo largo de la experimentación. Los resultados de la caracterización físico-química del sustrato se muestran en el Tabla 1.

En su mayoría las temperaturas de muestreo están en los rangos de operación establecidos, lo cual favorece la operación de los reactores en los regímenes mesofílico y termofílico (Stanikova et al., 2015). El pH reportado indica que se trata de un residuo cercano a la neutralidad, distando de ser inhibitorio para la digestión (Terry et al., 2005). En una investigación donde uno de los sustratos usados fue el agua residual de café, el pH observado tuvo un valor promedio de 7,6 ± 0.2 entre todos los reactores, indicando condiciones favorables para la digestión anaerobia (Guardia et al. , 2016). Valores promedio de pH 7, favorecen la presencia de grupos microbianos específicos aclimatados para continuar el proceso depurativo de tipo anaeróbico (Sánchez et al., 2016).

El OD estuvo entre 1,0 y 5,4 mg/L, lo que favorece la hidrólisis debido a que los organismos facultativos reducen el oxígeno disuelto presente en el agua y por lo tanto generan un bajo potencial redox (Deublein y Steinhauser, 2008), creando así las condiciones estrictamente anaerobias requeridas por las arqueas metanogénicas para la producción de metano (Soto et al., 2015). La salinidad se registró entre 0,6 y 4,9 %, representando un aspecto inhibitorio para la digestión anaerobia, pues se ha comprobado que valores de 1% reducen la obtención de biogás en un 50 y 60 % respecto a lo que se obtiene con 0 de salinidad (Picos, 2016). Investigaciones previas señalan que la alta salinidad de los efluentes puede causar problemas de presión osmótica a los microorganismos responsables de la digestión anaerobia (Jiménez et al., 2006).

La DQO estuvo comprendida entre 2400,1 y 7995,0 mg/L, siendo un dato variable para un mismo proceso. Se infiere que esta variabilidad se debe a las características físico-químicas y a la calidad del grano de café procesado en el día en el cual se realizó la toma de muestras de aguas residuales (Dinsdale et al., 1996; Bello-Mendoza y Castillo-Rivera, 1998; Selvamurugan et al., 2010). Generalmente las aguas residuales generadas por las procesadoras de café molido o soluble, tienen una carga contaminante que en términos de demanda química de oxígeno (DQO) va de 4 a 60 g/L (García et al., 1995), debido a la variabilidad de la especie de café.

Los taninos que se caracterizan por ser sustancias tóxicas potenciales de la digestión anaerobia, se reportaron entre 145,1 y 400,0 mg/L siendo un valor bajo al compararlo con investigaciones donde señalan que valores registrados entre los 600 y 800 mg/L inhiben en un 50% la actividad metanogénica (Pérez et al., 2000). Sin embargo, Tejerina et al. (2007), mencionan que se ha reportado inhibición durante el tratamiento anaeróbico de aguas residuales cuyo contenido de taninos vegetales tiene concentraciones superiores a 320 mg/L.

Biodegradabilidad anaerobia

En ambos regímenes de trabajo: mesofílicos y termofílico, hubo variaciones en el pH durante los primeros días de la experimentación y posterior al día 10 se evidencia la estabilidad del proceso (Fig. 2 y 3). Durante la adaptación del inóculo este comportamiento se debe a que la microorganismos presentes en el inóculo favorece la actividad de las bacterias acidogénicas y la generación de ácidos grasos volátiles que inciden en el pH (Liu et al., 2016).

Al comparar las variaciones de pH, al inicio de la experimentación, con lo obtenido en la caracterización del sustrato se observa una disminución en los valores. Esta variación pudo deberse al crecimiento de bacterias acidogénicas respecto a las metanogénicas, responsables de elevar la producción y acumulación de AGV y del descenso del pH (Camacho et al., 2017). Experiencias similares se han observado en otros trabajos, donde se registró producción de AGV durante los primeros días de la experimentación y que coincidió con una ligera disminución del pH, siendo además indicativo de un efectivo proceso de hidrólisis (Cadavid-Rodríguez y Bolaños-Valencia, 2015).

Para el día 7 de la experimentación se evidenció un incremento brusco en el pH del T2, lo cual se debió al ingreso inesperado de la solución de NaOH dentro del reactor. Este incidente probablemente ocasionó la saponificación de los ácidos grasos presentes, por lo que se procedió al lavado del equipo y sus tuberías complementarias con abundante agua, hasta retirar la mayor cantidad de residuos alcalinos presentes. Esta actividad finalizó cuando se verificó que el agua de lavado alcanzó un pH de 6,5. Los días 8 y 9 no funcionó este reactor, retomando su operación el día 10.

El volumen de alimentación al reactor se mantuvo constante en 200 mL/día durante toda la investigación. Sin embargo, la carga orgánica varió en función de la DQO presente en el agua residual, ubicándose entre 0,17 y 0,57 kgDQO/m3.d. El incremento en la carga orgánica no fue proporcional con el de la producción de metano (Fig. 4 y 5). (Nakasima-López et al., 2017), señalan en su investigación que aunque aumentaron en un 9% la carga orgánica, se registró un ascenso en la generación de biogás, pero no la concentración de metano.

Asimismo Charles et al., (2011) al estudiar el proceso de digestión anaerobia para el tratamiento de residuos altamente concentrados como los efluentes industriales y rurales y los lodos de depuradora, demostró que es un proceso relativamente inestable. Cuando se carga con altas concentraciones de material orgánico, a menudo se producen ácidos grasos volátiles no deseados (AGV) en lugar de gas metano (CH4), lo que puede conducir a la acidificación del digestor y a su fallo. En este estudio se investigó el comportamiento del digestor bajo altas tasas de carga, probando la utilidad de la eficiencia estequiométrica de conversión de metano como parámetro de control del digestor a altas tasas de carga.

Cabe destacar que para los cuatro reactores, en los días donde no se registró producción de metano, se debió a factores inherentes al funcionamiento de los equipos u operacionales (fugas en las tuberías que conforman el sistema de desplazamiento, fallas en el sistema eléctrico).

La producción total de metano para cada régimen se muestra en la Fig. 6. La mayor producción se tuvo para T1, seguido de M1 y para el total de días en el que se llevó a cabo el estudio, los reactores M1 y T1 fueron los que registraron mayor producción de metano con 9634 y 12427 mL CH4 respectivamente. En el caso de los reactores M1 y M2, esta variable respuesta tuvo valores cercanos entre sí, superando M1 en un 16,8% respecto a la cantidad producida por M2. Sin embargo para T1 y T2 existe una marcada diferencia en los volúmenes obtenidos, puesto que para este último (T2), no se registró el desplazamiento de CH4 en 11 días de operación, debido a fallas operacionales presentadas con el reactor durante el estudio.

Una medida importante de un adecuado proceso de adaptación del inóculo al residual, durante el proceso de degradación anaerobia es la producción de metano (Terry et al., 2005). La producción de biogás y metano está directamente relacionada a la cantidad de materia orgánica alimentada. Su generación es una evidencia de la reducción de la materia orgánica presente (Córdoba et al., 2014).

Pese a que en todos los reactores se registró producción de metano, el mayor volumen se obtuvo para el termofílico T1, evidenciando así que el mejor régimen para la producción de metano con digestión anaerobia es en el rango termófilo en relación al mesófilo, tal como lo reportan estudios previos donde se produjo un incremento significativo para la producción de biogás en la temperatura termofílica respecto de la mesofílica para todos los niveles de tiempo de retención hidráulico (Rincón et al., 2016). Se ha comprobado que, aunque el régimen termofílico presenta mayores problemas de estabilidad, tiene como ventaja una mayor producción de gas por unidad de sólidos volátiles, dado que el efluente de la digestión termofílica se deshidrata más fácilmente. Dadas las condiciones operacionales en las que se lleva a cabo el proceso, se favorece la fermentación y la eliminación de casi un 100% de virus y bacterias patógenas, hay una separación sólido-líquido más rápida y disminuye la viscosidad de la solución (Reyes, 2018).

CONCLUSIONES

El inóculo de estiércol vacuno utilizado en la experimentación, presentó a partir del día 10 una estabilización del pH, evidenciando así un comportamiento estable en el proceso de digestión anaerobia. En cuanto a régimen de trabajo, el mejor resultado se obtuvo para el termofílico por ser bajo estas condiciones operacionales donde se registró mayor producción total de metano. Sin embargo, una vez adaptado el inóculo y de acuerdo a los resultados obtenidos en la experimentación, se podría esperar que la producción de metano a lo largo de la investigación bajo régimen mesofílicos, mantenga un comportamiento más estable en relación al termofílico. De acuerdo con los resultados obtenidos en el estudio, se infiere que el inóculo estudiado se adaptó al sustrato siendo una alternativa para ser usado en la digestión anaerobia de las aguas residuales de café instantáneo.

Agradecimientos

Se agradece a la Universidad Técnica de Manabí por facilitar sus instalaciones para la realización de la investigación, así como por la ayuda económica brindada a través de becas para la adquisición de equipos y reactivos empleados en la misma.

REFERENCIAS

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Notas de autor

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