BIO-TRANSFORMACIÓN DE VINAZA EN UN SISTEMA AEROBIO
Elaborado por: Carlos Alberto Lozano MorenoSupervisado por: Astrid Xiomara Garzón
Diciembre 2011
1. INTRODUCCIÓN
El problema más grande que presentan las destilerías destinadas a la
producción de biocombustibles es el manejo de los grandes volúmenes de
vinaza logrados después del proceso de destilación, por lo cual, se han
desarrollado varias tecnologías destinadas a disminuir la cantidad de vinaza
generada en el proceso de producción de alcohol.
Las características de las vinazas obtenidas como efluentes de la producción
de alcohol a partir de la fermentación de las mieles finales de la caña de
azúcar, en las destilerías, varían muy poco, independientemente del
tratamiento de las mieles finales, del sistema de fermentación o de la
recuperación o no de las levaduras.
Entre las tecnologías más usadas para la disminución de litros de vinaza
generado por litro de alcohol producido, se encuentra la recirculación de
vinaza al proceso fermentativo lo cual permite una generación cercana a 3
litros de vinaza/ litro de alcohol producido. Aunque la recirculación de vinaza
tiene un gran impacto ambiental dado la disminución en volumen de vinaza
producido, sigue siendo elevado el volumen de vinaza a tratar. Entonces,
surgen tecnologías alternativas para el tratamiento y aprovechamiento de la
vinaza y sus características químicas como la producción de abonos bio-
orgánicos y la utilizando como suplemento alimenticio para ganado.
Por lo cual, la búsqueda de nuevas tecnologías que permitan reducir el
impacto ambiental de la vinaza, han sido impulsadas al encontrarse
microorganismos que se pueden desarrollar en un medio a base de vinaza y
además estos microorganismos tienen grandes potencialidades que permiten
la obtención de productos atractivos comercial y ecológicamente (entre los que
se destacan biocombustibles, biopolímeros, otros).
2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA
Sabiendo que la vinaza proviene de un proceso fermentativo llevado a cabo
por un microorganismo prácticamente inocuo, que tienen una carga orgánica
muy alta, que el volumen es tres veces al alcohol producido y que además
esta sustancia cuenta con propiedades nutricionales atractivas para el
desarrollo de diversos microorganismos, animales y plantas. Surge la
necesidad de una bio-transformacion con ensayos aeróbicos para evaluar si
existe una disminución de la contaminación ambiental y la obtención de
tecnologías que generen un valor agregado a los ingenios.
3. OBJETIVOS
3.1OBJETIVO GENERAL
Evaluar el comportamiento de los contaminantes presentes en la vinaza
con la inyección de aire.
3.2OBJETIVOS ESPECIFICOS
Comparar la vinaza obtenida de Compostaje y vinaza de Bio-Destileria.
Evaluar ácidos volátiles, DBO y DQO.
Evaluar la carga microbiana presente en las muestras.
CUBA 180% vinaza
4. DESCRIPCIÓN ENSAYOS BIO-TRANSFORMACIÓN DE VINAZA
Figura 1. Protocolo montaje de ensayos
4.1Condiciones de análisis
Cuadro 1. Descripción de los análisis realizados
INOCULO VINAZA
DURACION (Dias)
FRECUENCIA DE
MUESTREO (Dias)
Compostaje 15 5
Bio-Destileria 30 5
SOLIDOS TOTALES
ANALISIS MICROBIOLOGICOS
MESOFILOS BAL PSEUDOMONAS COLIFORMES LEVADURAS
ANALISIS FISICOQUIMICO
PH BRIXACIDEZ
VOLATIL COLOR DBO DQO TURBIDEZ FAN
Nota:Los ensayos fueron realizados en condiciones aeróbicas y por duplicado.
5. ANALISIS Y DISCUSION DE RESULTADOS
5.1. Sitio toma de muestra: la vinaza fue tomada de las piscinas de compostaje y llevada a la destilería para el análisis correspondiente.
Inoculo vinaza compostaje
Aire
Inoculo Vinaza Bio-Destileria
Figura 2. Sitio toma de muestra piscina de compostaje
Figura 3. Cuba 1 montaje de los ensayos
Análisis Fisicoquímico
Cuadro 2. Protocolo análisis fisicoquímicos
Análisis 0 8 15 0 15 30
PH 4,35 7,9 7,89 4,56 8,4 8,9BRIX 7,8 6,8 6,2 9,3 8,6 8,2
ACIDEZ VOLATIL (ppm) 9944 1535 1297 12923 1265 1042
COLOR (% v/v a 375 nanometros OD) 0,069 0,104 0,138 0,112 0,333 1,433
TURBIDEZ (NFT) 4350 2840 2730 4240 19600 20600DBO mg02/l 53315 25970 10165 59940 24190 7145DQO mg02/l 68501 41670 29735 92716 64846 60758SOLIDOS TOTALES 7,7 6,6 6,3 9,2 8,6 8,4FAN (ppm) 157 27 0 145 75 0
CONDICIONES AEROBICAS VINAZA COMPOSTAJE VINAZA BIO-DESTILERIA
Días
Acidez volátil
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 9944 1535 1297
VINAZA BIO-DESTILERIA 12923 1265 1042
1000
3000
5000
7000
9000
11000
13000
ppm
Grafico 1. Comportamiento de la acidez volátil
La acidez volátil disminuye rápidamente en ambos ensayos, esto se debe a la oxido reducción que hacen los microorganismo y a la presencia constante de aire lo cual convierte los ácido acético, ácido propiónico, ácido valérico, ácido isovalérico, ácido isobutírico y ácido butírico en ácidos menos volátiles.
Color
Figura 4. A. vinaza bio-transformación aerobia Bio-Destileria, B. vinaza bio-transformación aerobia compostaje, C. vinaza bio-transformación aerobia Bio-Destileria y Compostaje.
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 0.069 0.104 0.138
VINAZA BIO-DESTILERIA 0.112 0.333000000000001
1.433
0.1
0.3
0.5
0.7
0.9
1.1
1.3
1.5
% v
/v a
375
nan
omet
ros O
D
Grafico 2. Comportamiento color
El color es más intenso en la vinaza obtenida de Bio-Destileria debido a la oxido-reducción del medio, al crecimiento acelerado de microorganismos aerobios y a la presencia de partículas complejas que contienen ciertos materiales colorantes.
A B C
6.1 pH
0 15 30
VINAZA BIO-DESTILERIA 4.56 8.4 8.9
VINAZA COMPOSTAJE 4.35 7.9 7.89
0.51.52.53.54.55.56.57.58.59.5
Grafico 3. Comportamiento de pH
El pH aumenta debido al aceleramiento de crecimiento de los microorganismos, se ve evidenciado un aumento considerable en ambos ensayos.
6.2 FAN (amino nitrógeno libre).
Grafico 3. Comportamiento del FAN
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 157 27 0
VINAZA BIO-DESTILERIA 145 75 0
10
30
50
70
90
110
130
150
170
ppm
El nitrógeno libre nos indica la rapidez que aumenta el metabolismo de los microorganismos en ambos ensayos permitiendo de esta forma disminuir el nitrógeno presente en la vinaza el cual es utilizado por estos para su reproducción.
6.3 Sólidos totales
Grafico 4. Comportamiento de sólidos totales
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 7.7 6.6 6.3
VINAZA BIO-DESTILERIA 9.2 8.6 8.4
0.5
1.5
2.5
3.5
4.5
5.5
6.5
7.5
8.5
9.5
% w
/w
La concentración de materia suspendida disminuye en ambos ensayos, y no es tan significativa para que pueda inferir en el proceso de evaporación dela vinaza.
6.4Brix
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 7.8 6.8 6.2
VINAZA BIO-DESTILERIA 9.3 8.6 8.2
0.51.52.53.54.55.56.57.58.59.5
°
Grafica 5. Comportamiento del Brix
Los grados Brix disminuyen en ambos casos debido a que los microorganismos utilizan la sacarosa como fuente de energía y además nos da un indicio de la cantidad de solidos totales concentrados.
6.5Turbidez
Grafica 6. Comportamiento de turbidez
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 4350 2840 2730
VINAZA BIO-DESTILERIA 4240 19600 20600
2500
7500
12500
17500
22500
NFT
La turbidez es más intensa en la vinaza obtenida de Bio-Destileriaesto se debe al crecimiento acelerado de microorganismos aerobios y la presencia de materiales en suspensión.
6.6 DBO Grafica 7. Comportamiento de DBO
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 53315 25970 10165
VINAZA BIO-DESTILERIA 59940 24190 7145
10000
30000
50000
70000
90000
110000
mgO
2/l
En los dos ensayos la DBO disminuyó debido a la gran cantidad de microorganismos presentes en el medio. Lo cual, dificulta el proceso de óxido-reducción.
6.7 DQO Grafica 8. Comportamiento de DQO
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 68501 41670 29735
VINAZA BIO-DESTILERIA 92716 64846 60758
10000
30000
50000
70000
90000
110000
130000
150000
170000
mgO
2/l
En los dos ensayos se observa una baja por la utilización de oxigeno de microorganismos y esto hace que se vea evidenciado con la disminución de la acidez volátil.
3 Análisis Microbiológico
Cuadro 3. Protocolo análisis microbiológicos
CONDICIONES AEROBICAS
VINAZA COMPOSTAJE VINAZA BIO-DESTILERIAAnálisis Días
0 8 15 0 15 30Mesofilos (ufc/ml)
3,00E+09 3,04E+09 1,18E+10 2,96E+04
2,34E+09 5,04E+08
BAL (ufc/ml)8,00E+0
7 3,44E+09 8,00E+08 7,20E+033,36E+0
9 3,36E+08
Pseudomonas (ufc/ml)
0,00E+00 9,00E+04 1,62E+04 0,00E+00
0,00E+00 0,00E+00
Coliformes (ufc/ml)
5,40E+07 5,00E+09 2,51E+10 1,86E+04
2,28E+08 6,00E+06
Levaduras (ufc/ml)
3,00E+09 1,23E+08 8,70E+07 7,60E+04
4,48E+08 4,80E+07
7.1 Mesofilos
Grafica 9. Comportamiento de mesofilos
0 8 15
VINAZA COM-POSTAJE
3000000000 3040000000 11800000000
VINAZA BIO-DESTILERIA
29600 2340000000 504000000
1.00E+093.00E+095.00E+097.00E+099.00E+091.10E+101.30E+10
ufc/
ml
Control positivo Crecimiento de coloniasControl negativo Ausencia de crecimientoFigura 5. Lectura presencia de colonias brillantes y redondas
Figura 6. Vista microscopio objetivo 100x bacillos Gram positivosLevaduras
7.2 Levaduras.Grafica 10. Comportamiento de levaduras
0 8 15
VINAZA COM-POSTAJE
3000000000 123000000 87000000
VINAZA BIO-DESTI-LERIA
76000 448000000 48000000
2.50E+087.50E+081.25E+091.75E+092.25E+092.75E+093.25E+09
ufc/
ml
Control positivo Crecimiento de coloniasControl negativo Ausencia de crecimientoFigura 7. Lectura presencia de colonias brillantes y blancas
Figura 8. Vista microscopio objetivo 100x Levaduras
7.3 Acido lácticas.
Grafica 11. Comportamiento de ácido lácticas
0 8 15
VINAZA COM-POSTAJE
80000000 3440000000 800000000
VINAZA BIO-DESTILERIA
7200 3360000000 336000000
2.50E+08
7.50E+08
1.25E+09
1.75E+09
2.25E+09
2.75E+09
3.25E+09
3.75E+09uf
c/m
l
Control positivo Crecimiento de coloniasControl negativo Ausencia de crecimientoFigura 9. Lectura presencia de colonias azules
Figura 10. Vista microscopio objetivo 100x bacillos Gram positivos
7.4 Coliformes totales.Grafica 12. Comportamiento de coliformes
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 54000000 5000000000 25100000000
VINAZA BIO-DESTILE-RIA
18600 228000000 6000000
2.50E+09
7.50E+09
1.25E+10
1.75E+10
2.25E+10
2.75E+10
ufc/
ml
Control positivo Crecimiento de coloniasControl negativo Ausencia de crecimientoFigura 11. Lectura presencia de colonias rojas
Figura 12. Vista microscopio objetivo 100x bacillos cortos Gram negativos
7.5 Pseudomonas.
Grafica 13. Comportamiento Pseudomonas
0 8 15
VINAZA COMPOSTAJE 0 90000 16200
VINAZA BIO-DESTILERIA 0 0 0
5.00E+031.50E+042.50E+043.50E+044.50E+045.50E+046.50E+047.50E+048.50E+049.50E+04
ufc/
ml
Control positivo Crecimiento de coloniasControl negativo Ausencia de crecimientoFigura 13. Lectura presencia de colonias verdes
Figura 14. Vista microscopio objetivo 100x bacillos cortos Gram negativos
Hubo más crecimiento por parte de algunos microorganismos como mesofilos y coliformes. A partir del 8 día las bacterias acido lácticas, levaduras y las Pseudomonas disminuyen en el tratamiento con vinaza de compostaje. Posiblemente, se deba a que los otros microorganismos están compitiendo por sustrato aumentando así su población e inhibiendo el desarrollo de estos. sin embargo las Pseudomonas no se observan en el tratamiento de la vinaza obtenida de Bio-Destileria.
A partir del día 8 en el tratamiento de la vinaza obtenida de Compostaje se observó la presencia de organismos ciliados, los cuales obtienen su alimento de los microorganismos presentes en el medio.
7. ANALISIS DE LODOS RESULTANTES
Acidez volátil (ppm) 38900Color (% v/v a 375 nanometros OD)
0.145
pH 4.53Brix 8FAN (ppm) 0Mesofilos (UFC/ml) 300E+07BAL(UFC/ml) 264E+07Coliformes(UFC/ml) 300E+07Pseudomonas (UFC/ml) 256E+03Levaduras (UFC/ml) 57E+06
8. CONCLUSIONES
Olor desagradable que atrae la presencia de mosquitos e la vinaza de compostaje mientras que en la vinaza de bio-desetileria no se evidencio malos olores. En el tratamiento realizado con vinaza de compostaje se evidencia de lodos con alta carga microbiana se caracterizanlos siguientes microorganismo (mesofilos, coliformes totales, levaduras, acido lácticas, E. coli,Pseudomonas y ciliados)sin embargo en el tratamiento con vinaza de bio-destileria no se evidencio lodos. El porcentaje de remoción de DBO en los dos ensayos es más significativos debido a la disminución de los microorganismos presentes.
Mientras que en los dos ensayos la DQO el porcentaje de remoción esmáslento esto se debe a que no se evidencia microorganismo que en su metabolismo utilicen los contaminantes químico para su crecimiento.
El nitrógeno presente en los dos ensayos resulta bajo por lo que la adición de este nutrimento puede ser favorable para el desarrollo de la bio-transformacion aerobia. Ya que estos elementos son fundamentales para el desarrollo de procesos metabólicos esenciales como crecimiento, división celular, síntesis de energía. La presencia de protozoarios ciliados es conveniente ya que estos ayudan a eliminar los microorganismos patógenos y a disminuir la biomasa formada por bacterias muertas. Durante el proceso se desarrollan bacterias como la Pseudomonasla cual durante su metabolismo utiliza contaminantes de alta carga. La acidez volátil cae notablemente en los dos ensayos debido al proceso de oxido-reducción que está ocurriendo por la presencia de oxigeno.
9. RECOMENDACIONES
Si se va a emplear la bio-transformacion aerobia se deben construir piscinas acondicionadas con un manto para evitar la salida de malos olores. Con los lodos se propone realizar ensayos de bio-tranformacion anaerobia con los que se puede obtener biogás, emplearlos para realizar ensayos de bio-transformacion aerobio o directamente analizarlos para ser utilizados en fertiriego. Construir dos piscinas de vinazas garantizando un proceso 100% aerobio o anaerobio sin fluido constante de este material, por lo menos durante 1 mes
para que se puede garantizar la disminución de acidez volátil y la remoción de DBO y DQO. Realizar ensayo con vinaza en tratamiento aeróbico de destilería más Pseudomonas ya que es un saprofito del suelo , oportunista, cosmopolita, metabólicamente versátil, por poseer una dioxigenasa inicial, una tolueno dioxigenasa, es una buena candidata para las aplicaciones biotecnológicas, tales como agricultura, biocatalisis, biorremediacion, biocontrol en protección de las plantas y producción de bioplasticosy con esto observar si con la presencia de este microorganismo se acelera la remoción de DBO y DQO.
10.BIBLIOGRAFIA
Bermúdez R. C. (1991). Aprovechamiento de la vinaza de destilería en la alimentación. X foro de Ciencia y Técnica. Cuba.
Bermúdez R. C. (1991). Una variante alternativa para la alimentación animal: vinaza de destilería. Rev. Cubana de veterinaria 4.
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