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Tratamiento Anaeróbico de Aguas Residuales Industriales

El caso de la  Industria de Levadura para Panadería.

 

Artículo original de Mustafa Evren Ersahin, Hale Ozgun, Recep Kaan Dereli y Izzet Ozturk – Istanbul Technical University,Turkey

Traducido y adaptado por  WATERXPERT

Introducción

El tratamiento anaeróbico es un proceso de generación de energía, en contraste con los sistemas aeróbicos que generalmente demandan un alto aporte de energía para fines de aireación. Es una tecnología técnicamente sencilla y relativamente económica que consume menos energía, espacio y produce menos fangos en exceso en comparación con las tecnologías convencionales de tratamiento aeróbico. La producción neta de energía a partir del biogás hace que la tecnología de tratamiento anaeróbico sea una opción atractiva frente a otros métodos de tratamiento.

La creciente industrialización a nivel mundial se ha traducido en la generación de efluentes industriales en grandes cantidades y con alto contenido orgánico, que tratadas adecuadamente, pueden resultar en una importante fuente de energía. La digestión anaeróbica parece ser la opción más adecuada para el tratamiento de efluentes con alta carga orgánica. La tecnología anaeróbica ha mejorado significativamente en las últimas décadas con aplicaciones de procesos de tratamiento de alta tasa configurados de diferentes maneras, especialmente para el tratamiento de aguas residuales industriales. Se pueden conseguir altas velocidades de carga orgánica en áreas más pequeñas mediante el uso de reactores anaeróbicos de alta tasa para el tratamiento de efluentes industriales.

En este  artículo se presenta  la  aplicación de la tecnología anaeróbica para el tratamiento de aguas residuales industriales generadas en la producción de levadura para panadería. Será presentada una descripción del proceso industrial en cuestión, sus fuentes de generación de agua residual y su caracterización. Por último se centra en diferentes configuraciones de reactores anaeróbicos y condiciones de funcionamiento utilizadas para el tratamiento de dichas aguas residuales.

Descripción del proceso de producción de levadura para panadería

La levadura de panadería, que es una de las principales materias primas en la panificación, se elabora mediante la fermentación aeróbica de las cepas seleccionadas de Saccharomyces cerevisiae según sus cualidades especiales relacionadas con las necesidades de la industria panadera (Catalkaya y Sengul, 2006).

La producción de levadura incluye los procesos, tales como cultivo, fermentación, separación, enjuague y filtración presurizada como se muestra en la Figura 1.

La materia prima más común de la industria de la levadura es la melaza que es un subproducto de la producción de azúcar debido a su bajo costo y alto contenido de azúcar (Liang et al., 2009).

Después de la dilución, clarificación y esterilización, la melaza, que comúnmente se conoce como puré o mosto, se alimenta a los tanques de fermentación junto con nutrientes. Las células cultivadas en las primeras etapas de la fermentación se transfieren a una serie de fermentadores de semillas y semisemillas progresivamente más grandes. En estas etapas de fermentación, melaza, nutrientes y minerales se alimentan al tanque de preparación de la levadura a un ritmo controlado.

Al final de la fermentación de semi-semillas, el contenido del tanque con aproximadamente 5% de sólidos se concentra a aproximadamente 18-22% de sólidos. La levadura concentrada, llamada crema de levadura, es lavada con agua fría y bombeada a un tanque de almacenamiento de levadura donde se almacena a 4 ºC hasta que se utiliza para inocular los tanques de fermentación comerciales. Los fermentadores comerciales son el paso final del proceso. Después de la fermentación comercial, la levadura es bombeada a los filtros de tambor giratorio y deshidratada hasta obtener una consistencia similar a una torta con un contenido de sólidos de levadura del 30-33%.

Dependiendo de las demandas del mercado, el contenido de sólidos de la levadura puede aumentarse al 90-98% mediante el secado y comercializarse como levadura de panadería seca o instantánea (Ersahin et al., in press).

Generación y caracterización del agua residual

Durante el proceso de fermentación industrial de la levadura, se generan gran cantidad de aguas residuales con alto contenido orgánico, color oscuro, altas concentraciones de nitrógeno total, trimetilglicina y sulfato, contenido variable de fósforo y contaminantes orgánicos no biodegradables (Liang et al., 2009). ; Blonskaja et al., 2006).

El color es uno de los parámetros más problemáticos en la industria de la levadura de panadería como resultado de la presencia de melanoide en la melaza que da un color pardo a las aguas residuales (Buyukkamaci & Filibeli, 2002). La melaza es la fuente de la mayoría de los contaminantes en las aguas residuales con su contenido de 45-50% de azúcares residuales, 15-20% de sustancias orgánicas no azucaradas, 10-15% de cenizas (minerales) y aproximadamente 20% de agua. Yilmaz y Ozturk (1995) determinaron la fracción inicial soluble inerte de DQO de la DQO soluble en las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería entre el 10% y el 15% en condiciones aeróbicas.

Las aguas residuales generadas en este tipo de industria pueden ser clasificadas en dos grupos: aguas residuales de proceso de alta carga y aguas residuales de proceso de carga media-baja. El primero se genera a partir de los separadores de levadura y procesos como centrifugadoras y filtros rotativos de vacío, mientras que el segundo constituye principalmente el agua de lavado de pisos y limpieza de equipos (Catalkaya & Sengul, 2006).

La Tabla 1 presenta algunos ejemplos de estudios de caracterización de aguas residuales de la industria de la levadura de panadería a partir de la literatura. A diferencia de los otros estudios, Ozturk et al. (2010) reportaron una disminución considerable en la concentración de parámetros contaminantes como DQO, nitrógeno total, sulfato, potasio, DBO5 y color para una industria de levadura de panadería después de la instalación del proceso de evaporación.

Aplicaciones del tratamiento anaeróbico

Los procesos anaeróbicos parecen ser económicamente más atractivos en comparación con los procesos aeróbicos para el tratamiento de aguas residuales de alta carga con el logro de la eliminación simultánea de materia orgánica y sulfato, baja producción de lodo y bajo requerimiento de energía. Sin embargo, los efluentes de las etapas de tratamiento anaeróbico deben ser tratados adicionalmente por otras tecnologías de tratamiento para cumplir con los requisitos de vertido.

Kalyuzhnyi et al. (2005) estudiaron el tratamiento anaeróbico de efluentes de la industria de la levadura de panadería mediante un reactor UASB como pretratamiento seguido de biofiltro aerobio-anóxico y procesos de coagulación. Según los resultados, se encontró que el reactor UASB era bastante eficiente tanto para muestras crudas como diluidas con eficiencias de remoción de DQO entre 52-74% para los VCO (Velocidad de Carga Orgánica, OLR en inglés) de 3,7-16 g DQO/L.día.

Un aumento gradual en el VCO de 3,7 a 10,3 g DQO/L.día durante el tratamiento de la muestra cruda no tuvo un efecto significativo en la eliminación de DQO que estaba en el rango de 60-67%. Sin embargo, un aumento adicional de VCO a 16 g DQO/L.día en el tratamiento de la muestra diluida condujo a una caída en la eliminación de DQO al 52%. Se observó la eliminación completa del sulfato que se transformó en sulfuro soluble en el reactor UASB. De hecho, las concentraciones de sulfuro observadas no inhibieron los lodos anaeróbicos.

Generalmente, el color no se eliminó durante la etapa de tratamiento anaeróbico

Gulmez et al. (1998) investigó la viabilidad de la tecnología de tratamiento anaeróbico para las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería que se combinó con las aguas residuales generadas por la industria farmacéutica. El estudio se realizó en un reactor UASB a escala de laboratorio con un volumen efectivo de 10,35 L y un volumen de sedimentación de 6,05 L en condiciones mesófilas. El estudio experimental se llevó a cabo durante 333 días. Los primeros 198 días, el sistema fue alimentado solo con aguas residuales de la industria de la levadura de panadería. Después de alcanzar las condiciones de funcionamiento de estado estacionario en el día 140, se observaron tasas de eliminación de DQO del 62% y el 64% entre el día 140 y el 198 en los VCO de 2,4 kg DQO/m3.día y 4,8 kg DQO/m3.día, respectivamente. Después del día 198, el sistema fue alimentado con la combinación de levadura de panadería y aguas residuales de la industria farmacéutica en diferentes proporciones de dilución entre 1/50 y 1/1000 (volumen de aguas residuales de la industria farmacéutica / volumen total de aguas residuales). La combinación de aguas residuales de la industria farmacéutica con aguas residuales de la industria de la levadura de panadería en las diluciones más bajas resultó en una disminución en términos de eliminación de DQO.

Ciftci y Ozturk (1995) presentaron el desempeño de reactores UASB de dos etapas a gran escala (reactor ácido + reactores de metano) para ese tipo de aguas residuales. La eficiencia promedio de eliminación de DQO a largo plazo (9 años) fue de 75%, el flujo de biogás de 18.000 m3/día y el rendimiento de conversión de metano de 0,45 m3/kg DQO eliminado. Sin embargo, se ha observado una disminución en el flujo de biogás en el estudio de Ozturk et al. (2010) que se derivó de una industria de levadura de panadería con un proceso de evaporación como resultado de una disminución de las cargas contaminantes.

Se probó el reactor híbrido, que combina un reactor UASB en la parte inferior con un filtro en la parte superior y promueve las ventajas de ambos tipos de reactores, con el fin de superar las desventajas de los filtros anaeróbicos completamente empaquetados. El rendimiento de los filtros anaeróbicos de flujo ascendente híbrido depende del contacto de las aguas residuales con la biopelícula adherida en el medio y el crecimiento suspendido en la zona del fango (Buyukkamaci & Filibeli, 2002).

En este estudio se utilizó un reactor híbrido a escala de laboratorio con un lecho fijo en los dos tercios superiores del reactor. El reactor se hizo funcionar en condiciones mesófilas con tres tipos diferentes de fuentes de aguas residuales, incluidas las aguas residuales sintéticas que contienen melaza, las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería y las aguas residuales de la industria de procesamiento de carne. El TRH se mantuvo constante igual a 2 días y la OLR fue de aproximadamente 9 kg/m3.día durante el estudio. Las eficiencias medias de DQO, TOC y eliminación de color fueron del 78%, 76% y 12%, respectivamente.

Krapivina et al. (2007) estudiaron la tratabilidad de las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería de alta carga ricas en sulfatos mediante el uso de tecnología de reactores discontinuos anaeróbicos. Se investigaron tres esquemas de tratamiento diferentes, incluido un reactor discontinuo anaeróbico con o sin un relleno polimérico y acoplado a un reactor discontinuo microaerofílico/anaeróbico con una concentración óptima de fango de 17.300 mg/L y un tiempo de reacción óptimo de 22 horas en el reactor. La tercera alternativa de tratamiento evitaba la formación de sulfato a través de la oxidación del sulfuro formado en la etapa anaeróbica del proceso y dejaba azufre en forma de azufre elemental que era un coloide, sólido inerte y que se podía eliminar fácilmente de las aguas residuales manteniendo el nivel de oxígeno en el tanque microaerófilo a 0,1-0,15 mg/L. La solución de los problemas de eliminación de sulfatos y sulfuros dio como resultado un alivio de la inhibición por sulfuros tanto de la metanogénesis como de las bacterias reductoras de sulfatos e hizo que la tercera alternativa fuera preferible para el tratamiento de aguas residuales de levadura ricas en sulfato.

En la Figura 2 se presenta un estudio de balance de masa para la planta de tratamiento de aguas residuales de una industria de levadura de panadería con proceso de evaporación (Ozturk et al., 2010).

Los principales problemas encontrados en el tratamiento anaeróbico de las industrias de levadura de panadería son la acumulación de materia inorgánica (es decir, CaSO4, MgNH4PO4) en el reactor, la toxicidad del amoniaco debido a los altos valores de pH (> 8) y el alto contenido de azufre de hidrógeno en el biogás.

Puedes ver toda nuestra OFERTA FORMATIVA

 

Tratamiento Anaeróbico de Aguas Residuales Industriales (copy)

El caso de la  Industria de Levadura para Panadería.

Artículo original de Mustafa Evren Ersahin, Hale Ozgun, Recep Kaan Dereli y Izzet Ozturk – Istanbul Technical University,Turkey

Traducido y adaptado por  WATERXPERT

Introducción

El tratamiento anaeróbico es un proceso de generación de energía, en contraste con los sistemas aeróbicos que generalmente demandan un alto aporte de energía para fines de aireación. Es una tecnología técnicamente sencilla y relativamente económica que consume menos energía, espacio y produce menos fangos en exceso en comparación con las tecnologías convencionales de tratamiento aeróbico. La producción neta de energía a partir del biogás hace que la tecnología de tratamiento anaeróbico sea una opción atractiva frente a otros métodos de tratamiento.

La creciente industrialización a nivel mundial se ha traducido en la generación de efluentes industriales en grandes cantidades y con alto contenido orgánico, que tratadas adecuadamente, pueden resultar en una importante fuente de energía. La digestión anaeróbica parece ser la opción más adecuada para el tratamiento de efluentes con alta carga orgánica. La tecnología anaeróbica ha mejorado significativamente en las últimas décadas con aplicaciones de procesos de tratamiento de alta tasa configurados de diferentes maneras, especialmente para el tratamiento de aguas residuales industriales. Se pueden conseguir altas velocidades de carga orgánica en áreas más pequeñas mediante el uso de reactores anaeróbicos de alta tasa para el tratamiento de efluentes industriales.

En este  artículo se presenta  la  aplicación de la tecnología anaeróbica para el tratamiento de aguas residuales industriales generadas en la producción de levadura para panadería. Será presentada una descripción del proceso industrial en cuestión, sus fuentes de generación de agua residual y su caracterización. Por último se centra en diferentes configuraciones de reactores anaeróbicos y condiciones de funcionamiento utilizadas para el tratamiento de dichas aguas residuales.

Descripción del proceso de producción de levadura para panadería

La levadura de panadería, que es una de las principales materias primas en la panificación, se elabora mediante la fermentación aeróbica de las cepas seleccionadas de Saccharomyces cerevisiae según sus cualidades especiales relacionadas con las necesidades de la industria panadera (Catalkaya y Sengul, 2006).

La producción de levadura incluye los procesos, tales como cultivo, fermentación, separación, enjuague y filtración presurizada como se muestra en la Figura 1.

La materia prima más común de la industria de la levadura es la melaza que es un subproducto de la producción de azúcar debido a su bajo costo y alto contenido de azúcar (Liang et al., 2009).

Después de la dilución, clarificación y esterilización, la melaza, que comúnmente se conoce como puré o mosto, se alimenta a los tanques de fermentación junto con nutrientes. Las células cultivadas en las primeras etapas de la fermentación se transfieren a una serie de fermentadores de semillas y semisemillas progresivamente más grandes. En estas etapas de fermentación, melaza, nutrientes y minerales se alimentan al tanque de preparación de la levadura a un ritmo controlado.

Al final de la fermentación de semi-semillas, el contenido del tanque con aproximadamente 5% de sólidos se concentra a aproximadamente 18-22% de sólidos. La levadura concentrada, llamada crema de levadura, es lavada con agua fría y bombeada a un tanque de almacenamiento de levadura donde se almacena a 4 ºC hasta que se utiliza para inocular los tanques de fermentación comerciales. Los fermentadores comerciales son el paso final del proceso. Después de la fermentación comercial, la levadura es bombeada a los filtros de tambor giratorio y deshidratada hasta obtener una consistencia similar a una torta con un contenido de sólidos de levadura del 30-33%.

Dependiendo de las demandas del mercado, el contenido de sólidos de la levadura puede aumentarse al 90-98% mediante el secado y comercializarse como levadura de panadería seca o instantánea (Ersahin et al., in press).

Generación y caracterización del agua residual

Durante el proceso de fermentación industrial de la levadura, se generan gran cantidad de aguas residuales con alto contenido orgánico, color oscuro, altas concentraciones de nitrógeno total, trimetilglicina y sulfato, contenido variable de fósforo y contaminantes orgánicos no biodegradables (Liang et al., 2009). ; Blonskaja et al., 2006).

El color es uno de los parámetros más problemáticos en la industria de la levadura de panadería como resultado de la presencia de melanoide en la melaza que da un color pardo a las aguas residuales (Buyukkamaci & Filibeli, 2002). La melaza es la fuente de la mayoría de los contaminantes en las aguas residuales con su contenido de 45-50% de azúcares residuales, 15-20% de sustancias orgánicas no azucaradas, 10-15% de cenizas (minerales) y aproximadamente 20% de agua. Yilmaz y Ozturk (1995) determinaron la fracción inicial soluble inerte de DQO de la DQO soluble en las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería entre el 10% y el 15% en condiciones aeróbicas.

Las aguas residuales generadas en este tipo de industria pueden ser clasificadas en dos grupos: aguas residuales de proceso de alta carga y aguas residuales de proceso de carga media-baja. El primero se genera a partir de los separadores de levadura y procesos como centrifugadoras y filtros rotativos de vacío, mientras que el segundo constituye principalmente el agua de lavado de pisos y limpieza de equipos (Catalkaya & Sengul, 2006).

La Tabla 1 presenta algunos ejemplos de estudios de caracterización de aguas residuales de la industria de la levadura de panadería a partir de la literatura. A diferencia de los otros estudios, Ozturk et al. (2010) reportaron una disminución considerable en la concentración de parámetros contaminantes como DQO, nitrógeno total, sulfato, potasio, DBO5 y color para una industria de levadura de panadería después de la instalación del proceso de evaporación.

Aplicaciones del tratamiento anaeróbico

Los procesos anaeróbicos parecen ser económicamente más atractivos en comparación con los procesos aeróbicos para el tratamiento de aguas residuales de alta carga con el logro de la eliminación simultánea de materia orgánica y sulfato, baja producción de lodo y bajo requerimiento de energía. Sin embargo, los efluentes de las etapas de tratamiento anaeróbico deben ser tratados adicionalmente por otras tecnologías de tratamiento para cumplir con los requisitos de vertido.

Kalyuzhnyi et al. (2005) estudiaron el tratamiento anaeróbico de efluentes de la industria de la levadura de panadería mediante un reactor UASB como pretratamiento seguido de biofiltro aerobio-anóxico y procesos de coagulación. Según los resultados, se encontró que el reactor UASB era bastante eficiente tanto para muestras crudas como diluidas con eficiencias de remoción de DQO entre 52-74% para los VCO (Velocidad de Carga Orgánica, OLR en inglés) de 3,7-16 g DQO/L.día.

Un aumento gradual en el VCO de 3,7 a 10,3 g DQO/L.día durante el tratamiento de la muestra cruda no tuvo un efecto significativo en la eliminación de DQO que estaba en el rango de 60-67%. Sin embargo, un aumento adicional de VCO a 16 g DQO/L.día en el tratamiento de la muestra diluida condujo a una caída en la eliminación de DQO al 52%. Se observó la eliminación completa del sulfato que se transformó en sulfuro soluble en el reactor UASB. De hecho, las concentraciones de sulfuro observadas no inhibieron los lodos anaeróbicos.

Generalmente, el color no se eliminó durante la etapa de tratamiento anaeróbico

Gulmez et al. (1998) investigó la viabilidad de la tecnología de tratamiento anaeróbico para las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería que se combinó con las aguas residuales generadas por la industria farmacéutica. El estudio se realizó en un reactor UASB a escala de laboratorio con un volumen efectivo de 10,35 L y un volumen de sedimentación de 6,05 L en condiciones mesófilas. El estudio experimental se llevó a cabo durante 333 días. Los primeros 198 días, el sistema fue alimentado solo con aguas residuales de la industria de la levadura de panadería. Después de alcanzar las condiciones de funcionamiento de estado estacionario en el día 140, se observaron tasas de eliminación de DQO del 62% y el 64% entre el día 140 y el 198 en los VCO de 2,4 kg DQO/m3.día y 4,8 kg DQO/m3.día, respectivamente. Después del día 198, el sistema fue alimentado con la combinación de levadura de panadería y aguas residuales de la industria farmacéutica en diferentes proporciones de dilución entre 1/50 y 1/1000 (volumen de aguas residuales de la industria farmacéutica / volumen total de aguas residuales). La combinación de aguas residuales de la industria farmacéutica con aguas residuales de la industria de la levadura de panadería en las diluciones más bajas resultó en una disminución en términos de eliminación de DQO.

Ciftci y Ozturk (1995) presentaron el desempeño de reactores UASB de dos etapas a gran escala (reactor ácido + reactores de metano) para ese tipo de aguas residuales. La eficiencia promedio de eliminación de DQO a largo plazo (9 años) fue de 75%, el flujo de biogás de 18.000 m3/día y el rendimiento de conversión de metano de 0,45 m3/kg DQO eliminado. Sin embargo, se ha observado una disminución en el flujo de biogás en el estudio de Ozturk et al. (2010) que se derivó de una industria de levadura de panadería con un proceso de evaporación como resultado de una disminución de las cargas contaminantes.

Se probó el reactor híbrido, que combina un reactor UASB en la parte inferior con un filtro en la parte superior y promueve las ventajas de ambos tipos de reactores, con el fin de superar las desventajas de los filtros anaeróbicos completamente empaquetados. El rendimiento de los filtros anaeróbicos de flujo ascendente híbrido depende del contacto de las aguas residuales con la biopelícula adherida en el medio y el crecimiento suspendido en la zona del fango (Buyukkamaci & Filibeli, 2002).

En este estudio se utilizó un reactor híbrido a escala de laboratorio con un lecho fijo en los dos tercios superiores del reactor. El reactor se hizo funcionar en condiciones mesófilas con tres tipos diferentes de fuentes de aguas residuales, incluidas las aguas residuales sintéticas que contienen melaza, las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería y las aguas residuales de la industria de procesamiento de carne. El TRH se mantuvo constante igual a 2 días y la OLR fue de aproximadamente 9 kg/m3.día durante el estudio. Las eficiencias medias de DQO, TOC y eliminación de color fueron del 78%, 76% y 12%, respectivamente.

Krapivina et al. (2007) estudiaron la tratabilidad de las aguas residuales de la industria de la levadura de panadería de alta carga ricas en sulfatos mediante el uso de tecnología de reactores discontinuos anaeróbicos. Se investigaron tres esquemas de tratamiento diferentes, incluido un reactor discontinuo anaeróbico con o sin un relleno polimérico y acoplado a un reactor discontinuo microaerofílico/anaeróbico con una concentración óptima de fango de 17.300 mg/L y un tiempo de reacción óptimo de 22 horas en el reactor. La tercera alternativa de tratamiento evitaba la formación de sulfato a través de la oxidación del sulfuro formado en la etapa anaeróbica del proceso y dejaba azufre en forma de azufre elemental que era un coloide, sólido inerte y que se podía eliminar fácilmente de las aguas residuales manteniendo el nivel de oxígeno en el tanque microaerófilo a 0,1-0,15 mg/L. La solución de los problemas de eliminación de sulfatos y sulfuros dio como resultado un alivio de la inhibición por sulfuros tanto de la metanogénesis como de las bacterias reductoras de sulfatos e hizo que la tercera alternativa fuera preferible para el tratamiento de aguas residuales de levadura ricas en sulfato.

En la Figura 2 se presenta un estudio de balance de masa para la planta de tratamiento de aguas residuales de una industria de levadura de panadería con proceso de evaporación (Ozturk et al., 2010).

Los principales problemas encontrados en el tratamiento anaeróbico de las industrias de levadura de panadería son la acumulación de materia inorgánica (es decir, CaSO4, MgNH4PO4) en el reactor, la toxicidad del amoniaco debido a los altos valores de pH (> 8) y el alto contenido de azufre de hidrógeno en el biogás.

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El tratamiento anaeróbico es un proceso de generación de energía, en contraste con los sistemas aeróbicos que generalmente demandan un alto aporte de energía para fines de aireación. Es una tecnología técnicamente sencilla y relativamente económica que consume menos energía, espacio y produce menos fangos en exceso en comparación con las tecnologías convencionales de tratamiento aeróbico. La producción neta de energía a partir del biogás hace que la tecnología de tratamiento anaeróbico sea una opción atractiva frente a otros métodos de tratamiento.

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