Tratamiento anaerobio acidogénico de efluentes de la industria vitivinícola

Resumen

En esta investigación se abordó el estudio de la valorización de las aguas residuales de origen vitivinícola mediante la fermentación acidogénica, proceso que da lugar a la obtención de hidrógeno y diversos ácidos grasos de cadena corta, revalorizándose así los azúcares contenidos en este tipo de agua residual. En primer lugar, se estudió la obtención de dos cultivos acidogénicos, capaces de realizar las fermentaciones acidogénicas de glucosa y de fructosa. El inóculo inicial utilizado fue un fango activo aerobio obtenido de la E.D.A.R de Ciudad Real. Para la aclimatación se realizó un control biocinético, con unas condiciones de operación de pH 5, 35ºC y ausencia de oxígeno. Con este procedimiento se obtuvieron dos cultivos, uno para la fermentación de glucosa y otro para la fructosa. De los productos generados, destacó el rápido aumento de la producción de ácido acético, butírico e hidrógeno. Una vez concluido el estudio de aclimatación, se estudió la influencia del pH en el intervalo 4 - 6 unidades y de la temperatura entre los 26 y los 40 ºC sobre los dos cultivos obtenidos anteriormente. Para ello se realizó un diseño factorial centrado en las caras, donde la concentración inicial de sustrato fue de 50 mM. Este estudio permitió observar un fenómeno de inhibición de la fermentación a pH 4, siendo éste más acusado a altas temperaturas. Esto fue debido a la presencia de ácidos grasos sin disociar a bajos valores de pH y la mayor permeabilidad de la membrana celular a mayores temperaturas. En cuanto a la producción de hidrógeno, los mejores resultados experimentales se obtuvieron a pH 5 y 26 ºC con 1,0 mol hidrógeno ¿ mol glucosa-1 y 1,5 mol de hidrógeno ¿ mol de fructosa-1. Los efectos inhibitorios se incluyeron en un término adicional en la ecuación de Monod, que ermitió obtener un ajuste satisfactorio. También se realizaron experimentos para comprobar la influencia del pH inicial, dejando evolucionar libremente este parámetro. Estas fermentaciones se realizaron a una temperatura de 35 ºC, pH iniciales de 4, 5 y 6 unidades y una concentración inicial de sustrato de 50 mM. En primer lugar, se observó una rápida disminución de pH. Los menores valores de pH se alcanzaron cuando el pH de partida fue 4, deteniéndose las fermentaciones una vez alcanzados los valores de 3,45 y 3,22 unidades en las fermentaciones de glucosa y fructosa respectivamente. Para los pH iniciales 5 ó 6, las fermentaciones se completaron, agotando el sustrato. El mayor rendimiento de hidrógeno se obtuvo a pH inicial 5, siendo ésta de 1,2 mol hidrógeno ¿ mol glucosa-1 y 1,0 mol hidrógeno ¿ mol fructosa-1. Finalmente, para la modelización del proceso se utilizó la misma ecuación que la utilizada cuando si existía control de pH y se añadió una función de los parámetros µmax, Yx y Ks con el pH, obteniéndose unos ajustes satisfactorios en todos los casos. Otro de los factores investigados fue la influencia de la concentración inicial de sustrato sobre las fermentaciones de glucosa y fructosa. Para realizar este estudio se llevaron a cabo fermentaciones a pH 5, 35ºC y una concentración inicial de sustrato de 100 mM. Los resultados de este estudio fueron comparados con los obtenidos anteriormente con una concentración inicial de sustrato de 50 mM. La modelización de los resultados experimentales ofreció unos valores de los parámetros cinéticos y estequiométricos muy semejantes a los obtenidos con la concentración inicial de sustrato de 50 mM. En la última parte se estudió el tratamiento acidogénico de una mezcla de glucosa y fructosa por un lado y zumo de uva por otro, siendo estas las únicas fuentes de carbono disponibles. Estos sustratos se eligieron con el objetivo de utilizar aguas residuales próximas a las reales de origen vitivinícola. Ambos procesos se desarrollaron bajo unas condiciones de operación de pH 5 y 26 ºC y una concentración inicial de sustrato (hexosa) de 50 mM. Ambos tratamientos necesitaron un nuevo proceso de aclimatación. Una vez concluido este periodo se alcanzaron unos rendimientos de hidrógeno de 0,90 mol hidrógeno ¿ mol hexosa-1 para ambas aguas residuales. Aprovechando los resultados obtenidos en el tratamiento de agua con zumo de uva se realizó el diseño de una planta de tratamiento anaerobio acidogénico de aguas residuales de bodega con una DQO de 12000 mg O2 ¿ L-1 y un caudal diario de 48 m3 en época de vendimia. Seguidamente, se realizó una evaluación económica tanto de esta planta como de otra en la que se llevase a cabo un tratamiento aerobio. Al comparar ambas evaluaciones económicas se observó que podía conseguirse un ahorro de casi 200000 € en 15 años si se llevase a cabo el tratamiento acidogénico en lugar de un tratamiento aerobio convencional.