Aguas Residuales En La Industria Alimentaria_xiiconia2012_unprg-lambayeque

“Aguas residuales en la industria alimentaria” Dra Isel Cortés Nodarse Centro Nacional del Medio Ambiente [email protected]

LOS PROBLEMAS AMBIENTALES El interés masivo por los temas ambientales surgió al final de los 60’s:

CONCEPCIÓN DE MEDIO AMBIENTE

País desarrollado o industrializado

CARACTER TECNOLÓGICO

Países en vías CARÁCTER de desarrollo SOCIOECONÓMICO Y POLÍTICO

LOS PROBLEMAS AMBIENTALES La Tierra es un planeta de recursos limitados RESUMEN Posee un frágil ecosistema Por lo tanto, la PROBLEMÁTICA GENERAL DEL MEDIO AMBIENTE • Mejorar la calidad de vida mediante una mayor calidad ambiental • Conciencia que se debe tener de la limitación de los recursos naturales

TERMINOLOGIA • AGUAS RESIDUALES: aguas que se descargan después de haber sido usadas en un proceso, o producidas por éste, y que no tienen ningún valor inmediato para ese proceso. • AGUAS SERVIDAS; AGUAS SERVIDAS DOMESTICAS: aguas residuales que contienen los desechos de una comunidad, compuestas por aguas grises y aguas negras.

Aguas Residuales. Definición y tipos • Desde el punto de vista de las fuentes de generación, se puede llamar agua residual a la combinación de los residuos líquidos o aguas portadoras de residuos, procedentes tanto de instituciones públicas, establecimientos industriales y comerciales y viviendas, a los que pueden agregarse eventualmente aguas subterráneas, superficiales y pluviales. • De este modo, toda el agua potable que se vierte al desagüe se convierte automáticamente en agua residual, no apta para el consumo humano.

• Las aguas residuales o residuales líquidos pueden tener diferentes procedencias existiendo diversas clasificaciones de acuerdo a su origen o generación, siendo una de la más utilizada la siguiente: – Aguas residuales urbanas o aguas servidas o residuales líquidos domésticos (ARU), que están compuestos, principalmente, de residuos orgánicos, productos de lavado y los microorganismos patógenos que pueden contener, siendo estos últimos los contaminantes más importantes en estos residuos. – Aguas de tipo agrario o residuos agropecuarios (AROA), que están compuestos, fundamentalmente, de restos de estiércol, y de comida para animales. Contienen también una importante carga microbiana. – Residuos líquidos industriales o RILES, los que son de contenido muy variable y dependientes del proceso productivo, lo que impide su generalización en cuanto a carga contaminante se refiere.

CONTAMINACION QUIMICA • INORGANICOS: Su efecto ambiental depende de su efecto tóxico. • Hay algunos compuestos inorgánicos que ejercen una gran demanda de oxígeno, tales como sulfitos y nitritos

• ORGANICOS: Provocan la disminución del oxígeno disuelto como consecuencia de su consumo para los procesos de degradación biológica. Pueden conducir a perturbaciones indeseables en el medio y en su biota.

• Los parámetros químicos más comúnmente vinculados a contaminación son: – Oxígeno disuelto – Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) – Demanda química de oxígeno (DQO) – Nitrógeno total y amoniacal – Fósforo total

• Otros contaminantes químicos, considerados “especiales” incluyen los siguientes: – Aceites y grasas – Detergentes – Sulfuros – Cianuros – Fluoruros – Fenoles – Pesticidas – Hidrocarburos – Metales pesados

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO • Corresponde a un ensayo empírico (estandarizado) que permite estimar los requerimientos relativos de oxígeno para aguas residuales, efluentes y aguas contaminadas • Se mide la cantidad de oxígeno consumido por los microorganismos para la oxidación aerobia de la materia orgánica biodegradable presente en el agua, en condiciones de pH entre 6,5 y 7,5. • Ampliamente utilizado para estimar la eficiencia de los sistemas de tratamiento de aguas residuales.

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO • El proceso de degradación aeróbica de la materia orgánica es un proceso lento y teóricamente tarda un tiempo infinito en completarse. • Al cabo de 20 días, la oxidación se ha completado en un 95-99% del total y en el plazo de 5 días, la oxidación se ha efectuado en un 70%. • Por razones prácticas, se utiliza mayormente el valor de DBO a los cinco días; que se representa como DBO5.

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO •

El proceso de degradación transcurre por la reacción de: – Compuestos orgánicos carbónicos, utilizados por los microorganismos aerobios heterótrofos como fuente de alimentación. – Nitrógeno oxidable, debido a la presencia de nitritos, amoniaco y en general compuestos orgánicos nitrogenados que sirven de alimentación a bacterias específicas (Nitrosomonas y Nitrobacter). – Compuestos químicos reductores (ion ferroso, sulfitos, sulfuros) que se oxidan por el oxígeno disuelto.

La reacción química general que describe la oxidación de la materia orgánica por los microorganismos hasta obtener dióxido de carbono y agua, es la siguiente:

Cn H aOb Nc (n a

4

b

3 c)O 2 2 4

nCO2 (a

3 c) H O cNH 2 3 2 2

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO

•

Tipo de

DEMANDA BIOQUIMICA DE OXIGENO

•

Tipo de

La DBO5 de una muestra de agua expresa la cantidad de miligramos de oxígeno disuelto por cada litro de agua, que se utiliza conforme se consumen los desechos orgánicos por la acción de las bacterias en el agua. Una DBO5 grande indica que se requiere una gran cantidad de oxígeno para descomponer la materia orgánica contenida en el agua.

El agua potable tiene una DBO5 menor a 2,0 mg/L de oxígeno y se considera que el agua está contaminada si la DBO5es mayor de 5 mg/L. Las aguas negras municipales contienen entre 100 y 400 mg/L pero los desechos industriales y los agrícolas contienen niveles de DBO5 del orden de miles de mg/L.

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO • Corresponde a la cantidad de oxígeno requerido para oxidar la materia orgánica utilizando un potente oxidante químico, que suele ser el dicromato de potasio en medio ácido. • La medición se hace a temperatura elevada y empleando un catalizador (sulfato de plata) para facilitar la oxidación de los compuestos orgánicos refractarios o resistentes a la oxidación como la celulosa, lignina, derivados aromáticos polinucleares, etc.

Cn H a Ob N c

Cr2O72

H

CO2

2Cr 3

•Titulación del exceso de dicromato con sulfato ferroso de amonio •Absorción del dicromato en exceso a 420 nm •Absorción del ion cromo III a 600 nm

H 2O

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO • Debido a que algunos compuestos inorgánicos reductores pueden interferir en la determinación, debe tenerse cuidado de eliminarlos previamente. • La DQO, en general, es mayor que la DBO ya que es mayor el número de compuestos que pueden oxidarse por vía química. • Aunque no es una clasificación oficial, se han presentado criterios para calificar la contaminación de los ríos y quebradas considerando los valores de DQO según la siguiente escala: – – – –

Río muy limpio: DQO 2mg / L Río limpio: Río sucio: DQO 2,5mg / L 5mg / L Río en malasDQO condiciones: DQO 7mg / L

DEMANDA QUIMICA DE OXIGENO

intervalo bajo: 0-150 mgO2/L intervalo medio: 0-1,500 mgO2/L ó 0-1,000 mgO2/L intervalo alto: 0-15,000 mgO2/L

• NITROGENO TOTAL Y AMONIACAL: Las formas de nitrógeno de mayor interés en aguas naturales y residuales, son por orden decreciente de su estado de oxidación: nitrato, nitrito, amoníaco y nitrógeno orgánico. Todas estas formas lo mismo que el nitrógeno gaseoso (N2), son interconvertibles bioquímicamente y forman parte del ciclo del nitrógeno.

• El nitrógeno orgánico se define funcionalmente como el nitrógeno ligado orgánicamente en el estado de oxidación trinegativo. No incluye a todos los compuestos orgánicos del nitrógeno. • Analíticamente el nitrógeno orgánico y el amoníaco se pueden determinar juntos y se han denominado “nitrógeno kjeldahl”. El nitrógeno orgánico incluye productos naturales, como las proteínas y péptidos, ácidos nucleicos y urea, y numerosos materiales orgánicos sintéticos. • La concentración típica del nitrógeno orgánico varía desde unos cientos de microgramos por litro en algunos lagos hasta más de 20 mg/L en las aguas residuales brutas.

ANALISIS DE NITROGENO KJELDAHL (Orgánico y amoniacal)

ANALISIS DE NITROGENO KJELDAHL (Orgánico y amoniacal)

• ACEITES Y GRASAS: Las grasas animales y aceites de origen orgánico están constituidos por ésteres de alcohol o glicerol y ácidos grasos. Los ésteres de ácidos grasos que son líquidos a temperatura ambiente se denominan aceites y los que son sólidos se denominan grasas. Químicamente son muy semejantes y están compuestos de C, H y O. • Su presencia en las aguas proviene de restos de alimentos (mantecas, mantequillas, aceites vegetales, carnes, cereales, semillas, frutos secos, etc). Son compuestos estables que no se descomponen por la acción de las bacterias.

• Las grasas y aceites también pueden tener una procedencia mineral como los aceites lubricantes, keroseno y materiales bituminosos que son derivados del petróleo y contienen básicamente C e H. Estos aceites pueden llegar a las aguas procedentes de talleres, garajes, calles, etc. En su mayoría los aceites y grasas flotan sobre las aguas extendiéndose sobre la superficie creando películas que afectan la vida biológica de las aguas.

EFECTOS DE LAS GRASAS EN LAS CORRIENTES DE AGUA • Interfieren la aireación natural. • Son tóxicos a ciertas especies de peces y vida acuática. • Destruyen la vegetación a lo largo de los cauces con la consecuente erosión. • Hacen que no se pueda utilizar el agua para alimentación de calderas o refrigeración. • Crea una película desagradable en la superficie del agua. • Disminuye el valor potencial del agua para recreo. • Dificultan el tratamiento del agua, otorgan sabor y olor, producen una película fuerte en los filtros de arena.

ACEITES Y GRASAS

ACEITES Y GRASAS

Caudales de agua consumida por tonelada de producto

INDUSTRIA

Caudal m3/ton producto

Conservera: judias verdes

45-65

Conservera: melocotones y peras

14-18

Conservera: otras frutas y verduras

4-32

Química: amoníaco

90-270

Química: dióxido de carbono

51-80

Química: lactosa

545-725

Química: azufre

7-9

Alimentaria: cerveza

9-15

Alimentaria: pan

2-4

INDUSTRIA

Caudal m3/ton producto

Alimentaria: envasado de carnes

15-20

Alimentaria: productos lácteos

9-20

Alimentaria: whisky

50-70

Textil: blanqueado

180-270

Textil: tinte

25-50

• Los residuos industriales líquidos son aguas de desecho generadas en establecimientos industriales como resultado de un proceso, actividad o servicio. • De aquí que las características de éstos varían ampliamente. • Resulta cada vez más difícil armonizar el desarrollo social y económico con el desarrollo industrial debido a la creciente generación de residuos sólidos, emanaciones gaseosas y RILES.

Industria de alimentos. •

El procesamiento y la elaboración de alimentos se lleva a cabo con el fin de transformar el ganado (vacuno, aviar, porcino, etc), los productos del mar y los productos agrícolas en productos aptos para el consumo intermedio o final de los seres humanos.

•

A partir de esta definición puede plantearse que la industria de alimentos puede clasificarse o dividirse en varios grupos entre los que se encuentran: – – – – – – – –

Elaboración de productos lácteos Producción de azúcar Matanza y procesamiento de animales Obtención de aceites comestibles Fabricación de pan y productos afines Elaboración de alimentos en conserva de frutas y vegetales Preparación y envasado de productos con pescado y mariscos Elaboración de otros alimentos tales como café y té

Elaboración de productos lácteos • Es conocido que la leche es un producto alimenticio básico para la alimentación humana y en especial para los niños y adultos mayores de aquí la existencia de este alimento en todas partes del mundo. Además de su consumo directo se obtienen diversos derivados de la leche también de alto consumo tales como queso, yogurt, leche en polvo, leche condensada, requesón, helados, entre otros. • Cada proceso productivo generará efluentes con características diferentes, sin embargo, de forma general los RILES de la industria láctea se caracterizan por tener leche diluida, sólidos suspendidos, sustancias grasas, detergentes, desinfectantes y lubricantes. Si no hay una evacuación independiente para las ARU entonces éstas también estarán presentes en las aguas residuales de la industria.

Esquema de la producción de leche, crema y queso y origen de sus RILES. (1) Recepción de leche

Lavado

Almacenamiento

Lavado

Clarificación

Pasteurización Homogenización

Embalaje

Almacenamiento Distribución

Almacenamiento de crema

Sedimentos Limpieza Desinfección

Pasteurización

Limpieza Desinfección

Fermentación Coagulación

Limpieza Desinfección

Limpieza

Centrifugado

Mezclado

Limpieza

Coagulación Corte Drenaje

Drenaje de suero

Lavado

Pasteurización

Limpieza Desinfección

Lavado

Agua de Lavado

Homogenización

Limpieza Desinfección

Enfriamiento

Desodorización

Almacenamiento

Separación

Origen del RIL

Lavado

Limpieza Rotura de envases Lubricación

Rotura de envases Lubricación

Enfriamiento

Embalaje

Almacenamiento Distribución

Embalaje

Limpieza Rotura de envases Lubricación

Coágulos Limpieza Desinfección

Limpieza Rotura de envases Lubricación

Almacenamiento Distribución

Rotura de envases Lubricación

Rotura de envases

• Las fuentes principales de generación de efluentes líquidos durante el procesamiento de la leche son: – lavado y desinfección de equipos; – rotura de envases que contienen leche; – pérdidas de lubricantes en equipos y transporte.

• Derivada de la leche se obtiene la crema o nata mediante centrifugación de la leche entera. • La leche desnatada se utiliza en la producción de queso, yogurt y leche condensada. • La crema de la leche después de ser mezclada se pasteuriza y se homogeniza y se obtiene la mantequilla.

• El queso se obtiene a partir de un proceso enzimático donde se obtiene un coágulo (material precursor del queso) y una parte líquida denominada comúnmente como suero el cual tiene un elevado contenido de materia orgánica y de hecho constituye el principal “efluente” del proceso. • Sin embargo, este suero tiene amplios usos tales como alimento directo para animales o mediante procesamiento pueden obtenerse productos de elevado valor nutritivo para el consumo humano. • Además del suero, las aguas residuales de la producción de queso contienen coágulos, leche, detergentes, desinfectantes y su pH es bajo debido a la formación de ácido láctico llevada a cabo por microorganismos presentes durante el proceso de formación de queso.

Esquema de la producción de yogurt, leche condensada y leche en polvo y origen de sus RILES Operación (yogurt)

(1) Separación

Normalización

Adiciones

Origen del RIL Sedimentos Limpieza Desinfección

Limpieza Desinfección

Limpieza Desinfección

Pasteurización Homogenización

Fermentación

Fermentación Adición de Pulpa

Limpieza

Limpieza Desinfección

Limpieza Desinfección

Limpieza

Embalaje

Almacenamiento Distribución

Rotura de envases Lubricación

Rotura de envases Lubricación

Leche Condensada

Leche En Polvo

Recepción de leche

Lavado

Almacenamiento

Pasteurización Homogenización

Lavado

Limpieza Desinfección

Evaporación al vacío

Almacenamiento

Limpieza

Limpieza Desinfección

Cocimiento Esterilización

Limpieza Embalaje

Almacenamiento Distribución

Leche condensada

Secador instantáneo

Cribado Mezclado

Limpieza

Polvo

Polvo

Finalización

Polvo

Espera

Polvo

Embalaje

Polvo

Rotura de envases Almacenamiento Distribución Lubricación

Polvo

• Las aguas residuales procedentes de la fabricación del yogurt son ácidas también y debido a la adición que se hace en muchas ocasiones al producto de azúcar, pulpa de frutas etc, estos RILES incrementan su contenido de materia orgánica. • La producción de leche condensada es una concentración de leche por lo que los RILES de este proceso tienen básicamente los mismos componentes que los RILES generados en el procesamiento de la leche entera pero más concentrados. • Los RILES generados en la producción de leche en polvo tienen las mismas características que los anteriores donde las aguas residuales que resultan del lavado de los equipos contienen restos de leche en polvo.

Riles de estos procesos: Composición y cantidad. Productos

Kg de RIL/kg de leche procesada

Kg DBO5/1000 kg de leche

Recepción de leche

4,6 – 12,5

0,2 – 4,8

Leche

1,5 – 18,6

1,1 – 22,0

Mantequilla

1,4 – 8,3

0,8 – 2,1

Queso

0,3 – 5,1

0,2 – 4,1

Leche condensada

1,2 – 2,3

1,0 – 1,9

Leche en polvo

0,8 – 11,5

0,6 – 0,9

Riles de estos procesos: Composición y cantidad. Productos

Valores (mg/L)

pH

DBO5

SST

SVS

SVT

ST

Leche

545-1010

200-300

180-280

1280-1360

1297-1480

7-3- 8,1

Mantequilla

250-1760

314-394

1330-1390

1700-1780

1758-4000

7,6-8,3

Queso

775-2700

306-396

525-585

1391-2698

1500-4516

5,7-7,4

Leche condensada

991-1400

320-365

302-358

2010-2300

2500-3100

7,6-7,8

Leche en polvo

1980-2400

482-540

467-529

2450-2769

2784-2997

7,3-7,4

Riles de estos procesos: Composición y cantidad. Producto Leche descremada Leche entera Nata Mantequilla Yogurt Leche condensada Suero Parámetro (mg/L) DBO5 Grasas ST SVT SFT

Grasas (g) 0,08 3,0 40,0 0,3 3,0 8,0 0,3

Proteína (g) 3,5 3,5 2,2 3,0 3,5 7,0 0,9

Leche cruda 102500 36000 125000 117000 8000

Lactosa (g) 5,0 4,9 3,1 4,6 4,0 9,7 4,9

Leche desnatada 73000 1000 82300 74500 7800

Ácido láctico 0,1 1,1 0,2 Suero 32000 4000 72000 64000 8000

PARTICULARIDADES DEL ANÁLISIS QUÍMICO DE AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA ALIMENTARIA.

Correspondencia total entre… Tipo de muestra?

Normativa aplicable? Control y fiscalización?

Normas técnicas de análisis? Disponibilidad? Tiempo?

Principales interferentes a considerar en el análisis de aguas residuales de la industria alimentaria.

• • • • • • • • •

Materia orgánica: DBO5, DQO Compuestos de nitrógeno y fósforo Sólidos suspendidos: turbiedad Sólidos totales Color pH variado Temperatura (procesos fermentativos) Carga microbiana (crianza de animales) Celulosa, lignina, materia vegetal

• Estos componentes deberán considerarse como interferentes específicos para cada uno de los métodos de análisis. • Limitantes para métodos visuales y rápidos, tipo kits. • Altas diluciones para ensayos de DBO5 y DQO • Cuidado en las etapas de digestión y tratamiento previo de las muestras, previo a la cuantificación.

¿Qué podemos hacer? • Mejoras tecnológicas tendientes a la producción limpia sustentable. • Ahorrar agua en los procesos: reuso, recirculación. • Tratamiento de aguas residuales para generar nuevos productos: biogas, compost, agua para riego… • Gestión ambiental integrada. • Comunicación y formación de profesionales. • Educación comunitaria. • Mejoras en la legislación ambiental.