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ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
Grado en Ingeniería Electromecánica
Especialidad Mecánica
DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA INDUSTRÍA DE
LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN
Autor: Borja Iglesias Jato
Directores: Carlos Morales Polo
María del Mar Cledera Castro
Madrid Agosto 2015
ESCUELA TÉCNICA SUPERIOR DE INGENIERÍA (ICAI)
Grado en Ingeniería Electromecánica
Especialidad Mecánica
DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA INDUSTRÍA DE
LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN
Autor: Borja Iglesias Jato
Directores: Carlos Morales Polo María del Mar Cledera Castro
Madrid Agosto 2015
DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN
LA INDUSTRÍA DE LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE
ENERGÍA EN CO-GENERACIÓN
Autor: Iglesias Jato, Borja
Directores: Polo Morales, Carlos y Cledera Castro, María del Mar
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontifica Comillas
El objetivo principal del proyecto es calcular cuánto biogás podremos generar a partir de
residuos producidos en una industria de derivados lácteos, para ello se calculará la capacidad
de metanizar que tiene cada residuo. Así pues, debemos, a partir de esa capacidad calculada
previamente, realizar un estudio aproximado de cuánto biogás podremos producir . Con esta
cantidad de biogás se podrá obtener la cantidad de energía posible de generar.
El proyecto consta de 3 partes diferenciadas: procesos productivos en la industria láctea,
estudios del tipo de reactor y parámetros de funcionamiento y diseño de un reactor anaerobio
UASB.
En la primera parte del proyecto se realiza un estudio de una empresa láctea completa. En
primera instancia, se valoran todos los procesos productivos de esta empresa y se realizan los
diagramas de flujo de cada proceso. De esta manera se puede observar cada uno de los pasos
que sufre la leche desde que es recibida hasta su envasado, tras haber sido transformada en
cualquiera de sus derivados. En esta introducción, no se realiza ningún cálculo, es un estudio
cualitativo de los procesos, en el cual únicamente se valora desde un punto de vista del estudio
de los tipos de residuos generados y los recursos consumidos. Se observará paso a paso que
tipo de energía se consume y qué tipo de residuo se genera. Todo esto proporcionará una
visión global de como se procesa la leche, desde un punto de vista energético y de generación
de residuos.
Tras realizar este estudio y aun en la primera parte del proyecto se analizarán a fondo los tipos
de contaminantes presentes en la industria láctea, basándose en los residuos observados
previamente. Como conclusión de este estudio inicial se observa que la industria de derivados
lácteos genera una gran cantidad de efluentes líquidos, siendo este el mayor residuo.
De esta manera se finaliza el estudio cuantitativo de los procesos. Por tanto, ahora se realizan
los cálculos de la cantidad de residuos generados y su composición. Puesto que el propósito
del proyecto es la generación de energía a partir de residuos orgánicos, este último punto de la
primera parte se centrará en los residuos orgánicos generados en la industria de derivados
lácteos. Como conclusión de esta primera parte, se observará que los efluentes líquidos son el
residuo más abundante en esta industria y que debido a su alta carga orgánica se trata de un
residuo con alta capacidad de ser metanizado, algo que será tratado en la última parte en
profundidad.
II
La segunda parte del proyecto es un estudio de los tipos de reactores presentes en el mercado.
Existen dos grandes grupos de reactores anaerobios, que son los que presentan mejores
características para la digestión de este tipo de residuos. En la última parte se explica con más
profundidad la razón de esta elección. Por tanto, en esta segunda parte lo que se llevará a cabo
es un estudio completo de cada uno de los tipos de reactores que serían propensos a ser
utilizados en la digestión de estos residuos. Basándose en los dos grandes tipos de reactores
presentes en el mercado, reactores de lecho fijo y reactores de crecimiento libre, se estudiarán
cada uno de los reactores de cada uno de los tipos. Realizándose una descripción detallada de
su funcionamiento y su diseño, así como de sus ventajas e inconvenientes.
Con este estudio, se logra valorar de una manera global los distintos tipos de reactores que
podrían ser utilizados para la digestión anaerobia de residuos. De esta manera en la última
parte se podrá realizar la elección del tipo de reactor que más se ajuste a las necesidades del
proyecto para que así el proceso sea lo más óptimo posible.
En la última parte del proyecto todos los estudios previos cobran sentido. Previamente se ha
analizado proceso a proceso la producción de derivados lácteos y se ha estudiado todos y cada
uno de los tipos de contaminantes. Además, se han realizado cálculos para hallar la
composición de las aguas residuales, observando su alta carga orgánica, y por lo tanto su
capacidad de ser transformada en biomasa para la cogeneración de energía. Por otro lado, en la
segunda parte se realizó el estudio de todos los tipos de reactores anaerobios así como la
explicación detallada del proceso de digestión anaerobia. Tras todo esto, es hora de utilizar los
estudios para la generación de energía.
En primer lugar se realizará una comparativa entre todos los tipos de reactores estudiados
previamente analizando las ventajas e inconvenientes de cada uno entre sí. De este modo se
podrá decidir cuál es el más adecuado para tratar los residuos disponibles. Este reactor será un
reactor anaerobio de flujo ascendente con manto de lodos, conocido como reactor anaerobio
UASB. Por tanto, una vez este reactor ha sido seleccionado, se procederá a su
dimensionamiento y diseño completo a partir del caudal y composición de las aguas residuales
generadas en la industria láctea.
Una vez el reactor ha sido diseñado se podrá calcular cuánto gas se puede generar al día y
realizar la conclusión del proyecto, es decir, calcular la cantidad de energía que se puede
extraer en este tipo de procesos.
Como conclusión del proyecto y siendo uno de los puntos más importantes, se realiza una
valoración económica. Esta valoración no es más que analizar si el proyecto es viable, y en
caso de que lo fuese, calcular cómo es de rentable. A partir de la cantidad de gas generado
anualmente se puede obtener cuanto se ahorrará anualmente con la presencia de este tipo de
reactor en una industria de derivados lácteos y comprobar si ese ahorro es mayor que el coste
de instalación y mantenimiento.
III
Desde un punto de vista general, se podría resumir el proyecto como un estudio a fondo de la
industria láctea analizando sus residuos generados y la energía necesaria para llevar a cabo
estos procesos. Este estudio se realiza con el fin de descubrir cuántos residuos orgánicos son
generados y si son susceptibles de ser metanizados. Una vez se han analizado las aguas
residuales, se lleva a cabo un estudio para comprobar que tipo de reactor sería óptimo
implantar para que estas aguas fuesen tratadas de la mejor manera, generando la máxima
cantidad de CH4. Tras la elección de este reactor, que es de tipo UASB, se concluye el
proyecto diseñándolo y realizando una valoración económica a partir de la energía disponible
para generar.
Para concluir, exponer que se trata de un proyecto de generación de energía a partir de una
fuente renovable como son los residuos orgánicos. Esta tecnología se encuentra en auge en
diversas partes del mundo, especialmente en América Latina donde gracias a una serie de
condiciones ambientales se hace posible su implantación y alto rendimiento. Durante los
próximos años se espera un crecimiento en el desarrollo e investigación de esta tecnología
gracias a su alto rendimiento, bajo coste y facilidad de implantación.
IV
DISEÑO E IMPLATACIÓN DE UN REACTOR ANAEROBIO UASB EN LA
INDUSTRÍA DE LOS LÁCTEOS PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA EN
CO-GENERACIÓN
Autor: Iglesias Jato, Borja
Directores: Polo Morales, Carlos y Cledera Castro, María del Mar
Entidad Colaboradora: ICAI - Universidad Pontifica Comillas
The main purpose of the project is to calculate how much biogas can be generated from waste
produced in dairy industry. For that the capacity of methanation of each residue will be
calculated. Therefore, from that previously calculated capacity, we must make an approximate
study of how much biogas we can produce. With this amount of biogas we will get the amount
of energy that can be generated.
This project consists of three different parts: production processes in the dairy industry, studies
of the type of reactor and operating parameters and design of an anaerobic reactor UASB.
In the first part of the project a study of a complete dairy company is done. Firstly, all the
production processes of the company are valued and the flowcharts of each process are done.
Thereby, each step that the milk suffers will be seen, from the time that is received to its
packaging, after been transformed into one of its derivatives. In this introduction there isn’t
any calculation, it is a qualitative study of processes, which is assessed solely from the point of
view of studying the types of waste generated and resources consumed. Step by step, the kind
of energy consumed and the kind of waste generated will be observed. All this will provide an
overview of how the milk is processed, in terms of energy and waste generation.
After conducting this study and even in the first part of the project the types of contaminants of
the dairy industry will be analyzed in depth, based on the previously observed waste. The
conclusion of this initial study depicts that the dairy industry generates a large amount of
wastewater, which is the largest residue.
This way the quantitative study of the processes is performed. Thereby, the calculation of the
amount of waste generated and its composition are now made. Since the purpose of the project
is the generation of energy from organic waste, this last point of the first part will be focused
on the organic waste generated in the dairy industry. To conclude this first part, we will notice
that the wastewater is the most abundant residue in this industry and due to its high organic
load is a residue with high capacity for methanation, which will be deeply discussed in the last
part.
V
The second part of the project is a study of the types of reactors in the market. There are two
large groups of anaerobic reactors, which are those with the best features for digesting this
kind of residues. The last part explains more profoundly the reason for this choice. Therefore,
this second part will include a complete study of each of the types of reactors that would be
likely to be used in the digestion of these residues. Based on the two types of reactors in the
market, fixed bed reactors and free growth reactors, each of the reactors of each of the types
will be studied, making a detailed description of its operation and design, as well as of their
advantages and disadvantages.
This study allows us to globally appreciate the various types of reactors that could be used for
the anaerobic digestion of waste. Thus, in the last part we will be able to make the choice of
the type of reactor that best suits the needs of the project, so that the process is as optimal as
possible.
In the last part of the project all the previous studies make sense. Previously, the production of
dairy products has been analyzed and all types of contaminants have been studied.
Furthermore, calculations were made in order to find the composition of the wastewater,
observing its organic loading and, therefore, its ability to be transformed into biomass for
cogeneration. On the other hand, in the second part the study of all types of anaerobic reactors
was made, as well as a detailed explanation of the process of anaerobic digestion. After all, it
is time to use the studies for power generation.
First of all, we will make a comparison between all types of reactors previously studied
analyzing the advantages and disadvantages of each other. This way, we will be able to decide
which is best suited to treat the waste available. This reactor will be an anaerobic reactor with
upflow sludge blanket, known as UASB anaerobic reactor. Therefore, once the reactor has
been selected, we will proceed to complete its evaluation and design from the flow rate and
composition of wastewater generated in the dairy industry.
Once the reactor has been designed, we will be able to calculate how much gas can be daily
generated and make the conclusion of the project, i.e., calculate the amount of energy that can
be extracted in such processes.
As a conclusion of the project and being one of the most important points, an economic
evaluation is performed. This assessment is merely to examine whether the project is feasible,
and if it were, calculate how profitable. From the amount of gas annually generated we will
obtain how much we will annually save with the presence of this type of reactor in a dairy
industry and we will be able to check if the savings are greater than the cost of installation and
maintenance.
VI
From a general point of view, the project can be summarized as a thorough study of the dairy
industry, analyzing its waste generated and the energy required to carry out these processes.
This study is conducted in order to find how much organic waste is generated and whether it is
likely to methanation. Once we have analyzed the wastewater, a study is carried out in order to
prove what type of reactor would be optimal to implement so these waters would be treated in
the best way, generating the maximum amount of CH4. After the choice of the reactor, which
is of type UASB, the project is concluded by designing and conducting an economic
assessment from the energy available to generate.
In conclusion, it must be said that this is a project to generate energy from a renewable source
such as organic waste. This technology is booming around the world, especially in Latin
America where, thanks to a series of environmental conditions, its implementation and its high
performance is possible. Over the next few years it is expected an increase in the research and
the development of this technology due to its high performance, low cost and ease of
implementation.
ÍNDICE
1 CAPÍTULO I: Industria Láctea. Procesos Productivos. ....................................................... 2
1.1 Procesos de elaboración de productos lácteos............................................................... 2
1.1.1 Leche de consumo ................................................................................................. 3
1.1.1.1 Diagrama de flujo ........................................................................................... 4
1.1.1.2 Descripción de las operaciones y procesos..................................................... 6
1.1.1.3 Tipos de tratamiento térmico .......................................................................... 9
1.1.2 Leche en polvo ..................................................................................................... 10
1.1.2.1 Diagrama de flujo ......................................................................................... 10
1.1.2.2 Descripción de las operaciones y procesos................................................... 11
1.1.3 Leches concentradas ............................................................................................ 13
1.1.3.1 Diagrama de Flujo ........................................................................................ 14
1.1.3.2 Descripción de las operaciones y procesos................................................... 15
1.1.3.2.1 Concentración ....................................................................................................... 15
1.1.3.2.2 Tanque de Espera ................................................................................................. 16
1.1.3.2.3 Inoculación ............................................................................................................ 16
1.1.4 Yogures y Leches Fermentadas ........................................................................... 17
1.1.4.1 Diagrama de Flujo ........................................................................................ 18
1.1.4.2 Descripción de las operaciones y procesos................................................... 19
1.1.4.2.1 Incubación ............................................................................................................. 19
1.1.4.2.2 Refrigeración ......................................................................................................... 20
1.1.4.2.3 Envasado ............................................................................................................... 20
1.1.5 Queso Fresco y Madurado ................................................................................... 21
1.1.5.1 Diagrama de Flujo ........................................................................................ 22
1.1.5.2 Descripción de las operaciones..................................................................... 24
1.1.5.2.1 Coagulación........................................................................................................... 24
1.1.5.2.2 Corte y Desuerado ................................................................................................ 25
1.1.5.2.3 Moldeo y prensado ............................................................................................... 27
1.1.5.2.4 Salado.................................................................................................................... 28
1.1.6 Nata ...................................................................................................................... 31
1.1.6.1 Diagrama de flujo ......................................................................................... 32
1.1.6.2 Descripción de las operaciones..................................................................... 33
1.1.6.2.1 Tratamiento térmico ............................................................................................. 33
1.1.6.2.2 Envasado y envasado aséptico ............................................................................. 33
1.1.6.2.3 Almacenamiento ................................................................................................... 33
II
1.1.7 Mantequilla .......................................................................................................... 34
1.1.7.1 Diagrama de flujo ......................................................................................... 35
1.1.7.2 Descripción de los procesos ......................................................................... 36
1.1.7.2.1 Desodorización ..................................................................................................... 36
1.1.7.2.2 Pasterización ......................................................................................................... 36
1.1.7.2.3 Maduración de la nata .......................................................................................... 36
1.1.7.2.4 Batido-Amasado ................................................................................................... 37
2 CAPÍTULO II: Contaminación en la Industria Láctea. Valores de emisión y Consumo. . 38
2.1 Contaminación Atmosférica ........................................................................................ 38
2.2 Residuos Sólidos ......................................................................................................... 39
2.3 Consumo de Agua ....................................................................................................... 39
2.4 Consumo de energía .................................................................................................... 40
2.5 Efluentes Líquidos ...................................................................................................... 40
3 CAPÍTULO III: Residuos Orgánicos en la Industria Láctea. ............................................. 42
3.1 Leche de Consumo ...................................................................................................... 42
3.1.1 Recepción de la leche .......................................................................................... 42
3.1.2 Filtrado y Clarificación ........................................................................................ 44
3.1.3 Desnatado ............................................................................................................. 45
3.1.4 Tratamientos térmicos .......................................................................................... 46
3.1.5 Composición química de los residuos ................................................................. 46
3.2 Yogures ....................................................................................................................... 48
3.2.1 Incubación ............................................................................................................ 48
3.2.2 Envasado .............................................................................................................. 49
3.2.3 Composición de las aguas residuales ................................................................... 50
3.3 Quesos ......................................................................................................................... 51
3.3.1 Corte y Desuerado ............................................................................................... 52
3.3.2 Moldeo y Prensado .............................................................................................. 54
3.3.3 Salado ................................................................................................................... 54
3.3.4 Composición de las aguas residuales ................................................................... 55
3.4 Nata y Mantequilla ...................................................................................................... 56
3.4.1 Batido y Amasado ................................................................................................ 57
3.5 Limpieza de Equipos ................................................................................................... 58
3.6 Datos Residuales ......................................................................................................... 61
4 CAPÍTULO IV: Digestión Anaerobia. Procesos y Reactores. ........................................... 63
4.1 Digestión anaerobia de residuos. ................................................................................. 63
4.1.1 Comparación con tratamientos aerobios .............................................................. 64
III
4.1.2 Etapas de la digestión anaerobia .......................................................................... 64
4.1.2.1 Hidrólisis ...................................................................................................... 65
4.1.2.2 Acidogénesis ................................................................................................. 65
4.1.2.3 Acetogénesis ................................................................................................. 66
4.1.2.4 Metanogénesis .............................................................................................. 66
4.1.3 Requisitos Ambientales ....................................................................................... 67
4.2 Reactores Anaerobios .................................................................................................. 68
4.2.1 Reactores de lecho fijo ......................................................................................... 69
4.2.1.1 Filtros Anaerobios (AF) ............................................................................... 70
4.2.1.2 Biodiscos (ARBC) ........................................................................................ 71
4.2.1.3 Reactores de contacto con soporte (CASBER) ............................................ 72
4.2.1.4 Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB) ................................ 73
4.2.2 Reactores de crecimiento libre o suspendido. ...................................................... 75
4.2.2.1 Reactor de mezcla completa (CSTR) ........................................................... 75
4.2.2.2 Reactor de contacto (ACP) ........................................................................... 77
4.2.2.3 Reactor de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB).................. 79
4.2.2.4 Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR) ............................................... 84
4.2.2.5 Reactor anaerobio con deflectores (ABR) .................................................... 86
5 CAPÍTULO V: Comparativa de procesos y reactores. Elección reactor. .......................... 88
5.1 Digestión Anaerobia .................................................................................................... 88
5.1.1 Tratamiento anaerobio frente a tratamiento aerobio ............................................ 88
5.1.2 Funcionamiento del tratamiento anaerobio .......................................................... 90
5.2 Elección del tipo de reactor ......................................................................................... 93
5.2.1 Características del efluente .................................................................................. 93
5.2.2 Comparativa tipo de reactores anaerobios ........................................................... 95
5.2.2.1 Comparativa UASB vs CSTR ...................................................................... 97
5.2.2.2 Comparativa UASB vs ASBR ...................................................................... 98
5.2.2.3 UASB vs ABR .............................................................................................. 99
5.2.3 Conclusión ........................................................................................................... 99
6 CAPÍTULO VI: Reactor UASB. Diseño y Cálculos. ....................................................... 100
6.1 Funcionamiento completo de un reactor UASB ....................................................... 100
6.1.1 Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB frente al sistema aerobio
tradicional. ....................................................................................................................... 101
6.2 Parámetros de funcionamiento y diseño ................................................................... 102
6.2.1 Características de los reactores UASB .............................................................. 102
6.2.2 Principios de funcionamiento del reactor UASB ............................................... 103
IV
6.3 Datos experimentales ................................................................................................ 104
6.4 Diseño del reactor UASB .......................................................................................... 111
6.4.1 Datos diseño ....................................................................................................... 111
6.4.1.1 Caudal ......................................................................................................... 111
6.4.1.2 Concentración ............................................................................................. 111
6.4.1.3 COV: Carga Orgánica Volumétrica ........................................................... 111
6.4.1.4 CHV: Carga Hidráulica Volumétrica ......................................................... 111
6.4.2 Cálculo del volumen de reactor ......................................................................... 112
6.4.3 Cálculo de la velocidad superficial del flujo...................................................... 112
6.4.3.1 Cálculo del THRmedio .................................................................................. 113
6.4.4 Cálculo de la altura del reactor .......................................................................... 113
6.4.5 Cálculo área de la base del reactor ..................................................................... 113
6.5 Descripción gráfica del tanque del reactor ................................................................ 114
6.6 Piezas complementarias ............................................................................................ 114
6.6.1 Cámara de sedimentación .................................................................................. 114
6.7 Generación de CH4 y rendimientos del reactor ......................................................... 115
6.7.1 Cálculo de CH4 generado ................................................................................... 115
6.8 Eficiencia ................................................................................................................... 116
7 CAPÍTULO VII: Valoración Económica ......................................................................... 117
8 CAPÍTULO VIII: CONCLUSIÓN ................................................................................... 120
V
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Diagrama de productos lácteos. ................................................................................... 2 Figura 2: Diagrama de la distribución de leche en España. ......................................................... 3
Figura 3: Diagrama de flujo de elaboración de leche de consumo y aromatizada. ..................... 4 Figura 4: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche de consumo y sus residuos. .............. 5 Figura 5: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche en polvo y sus residuos. .................. 10 Figura 6: Diagrama de un evaporador de película descendente (FF). ....................................... 11 Figura 7: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche concentrada, condensada y evaporada
y sus residuos. ............................................................................................................................ 14 Figura 8: Diagrama de flujo de la fabricación del yogur y sus residuos.................................... 18
Figura 9: Diagrama de flujo de la fabricación de queso maduro y sus residuos. ...................... 22 Figura 10: Diagrama de flujo de la fabricación de queso fresco y sus residuos. ....................... 23 Figura 11: Diagrama de flujo de la fabricación de nata y sus residuos. ................................... 32 Figura 12: Diagrama de flujo de la fabricación de la mantequilla y sus residuos. .................... 35 Figura 13: Recepción y almacenamiento de la leche cruda. ...................................................... 42
Figura 14: Filtrado y Clarificación de la leche. ......................................................................... 44 Figura 15: Desnatado y Normalización de la leche. .................................................................. 45 Figura 16: Fermentación en los envases. ................................................................................... 48 Figura 17: Fermentación discontinua en tanques. ..................................................................... 49
Figura 18: Etapa de Envasado.................................................................................................... 49 Figura 19: Proceso productivo de la elaboración de queso. ...................................................... 51
Figura 20: Proceso de corte y desuerado. .................................................................................. 52 Figura 21: Moldeo y Prensado de la cuajada de leche. .............................................................. 54
Figura 22: Proceso de salado de los quesos. .............................................................................. 54 Figura 23: Diagrama de flujo de la conversión de nata en mantequilla..................................... 56
Figura 24: Batido y amasado de la nata. .................................................................................... 57 Figura 25: Recursos consumidos y residuos generados en la limpieza y desinfección de
equipos. ...................................................................................................................................... 59
Figura 26: DOQ de diferentes productos lácteos y detergentes. ................................................ 60 Figura 27: Proceso de digestión anaerobia y de generación de calor y electricidad a partir de
residuos orgánicos. ..................................................................................................................... 63
Figura 28: Etapas de la digestión anaerobia. ............................................................................. 64
Figura 29: Proceso de Hidrólisis. ............................................................................................... 65
Figura 30: Proceso de Acidogénesis. ......................................................................................... 65 Figura 31: Proceso de Acetogénesis. ......................................................................................... 66
Figura 32: Proceso de Metanogénesis. ...................................................................................... 66 Figura 33: Reactor genérico de lecho fijo. ................................................................................. 69 Figura 34: Filtro Anaerobio (AF). ............................................................................................. 70
Figura 35: Biodiscos (ARBC) .................................................................................................... 71 Figura 36: Reactor de contacto con soporte. .............................................................................. 72
.Figura 37: Reactor genérico de lecho fluido y lecho expandido. ............................................. 74 Figura 38: Reactor de mezcla completa (CSTR). ...................................................................... 76 Figura 39: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB. ...................................... 80
Figura 40: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB. ...................................... 83 Figura 41: Etapas de operación de un reactor tipo ASBR. ........................................................ 84
Figura 42: Esquema de un reactor anaerobio con deflectores (ABR). ...................................... 86 Figura 43: Proceso de degradación anaerobia. .......................................................................... 90 Figura 44: Balance Anaerobio de la materia orgánica. .............................................................. 90
VI
Figura 45: Etapas de la digestión anaerobia. ............................................................................. 92 Figura 46: Balance de DQO en el proceso de degradación. ...................................................... 94 Figura 47: Funcionamiento reactor UASB. ............................................................................. 100 Figura 48: Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional de lodos activados. ................. 101
Figura 49: Diagrama de flujo del sistema anaerobio U.A.S.B. ............................................... 101 Figura 50: Esquema de un reactor anaerobio UASB. .............................................................. 102 Figura 51: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el
lunes. ........................................................................................................................................ 104 Figura 52: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el
martes. ...................................................................................................................................... 105 Figura 53: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el
miércoles. ................................................................................................................................. 106 Figura 54: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el
jueves. ...................................................................................................................................... 107 Figura 55: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el
viernes. ..................................................................................................................................... 108
Figura 56: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas de media.
................................................................................................................................................. 109 Figura 57: Representación gráfica de la forma del reactor UASB. ......................................... 114
VII
ÍNDICE DE TABLAS
Tabla 1: Propiedades medias de algunos combustibles. ............................................................ 38 Tabla 2: Principales residuos encontrados en una empresa láctea. ............................................ 39
Tabla 3: Composición fisio-química de la leche expresada en % en peso. ............................... 43 Tabla 4: Composición fisio-química de la leche natural. .......................................................... 43 Tabla 5: Composición química de los lodos. ............................................................................. 45 Tabla 6: Composición de las aguas residuales generadas en el proceso de elaboración de leche
de consumo. ............................................................................................................................... 46
Tabla 7: Concentración de las aguas residuales de una central lechera tipo. ............................ 47 Tabla 8: Aguas residuales tras la elaboración de yogur. ............................................................ 50
Tabla 9: Composición media del lactosuero procedente de la leche. ........................................ 53 Tabla 10: Composición del lactosuero ácido y dulce. ............................................................... 53 Tabla 11: Aguas residuales tras la producción de quesos. ......................................................... 55 Tabla 12: Composición química de la mazada. ......................................................................... 57 Tabla 13: Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo. ............................ 61
Tabla 14: Valoración cuantitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea. ......... 61 Tabla 15: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. ...................................... 62 Tabla 16: Ventajas e Inconvenientes del tratamiento anaerobio. .............................................. 88 Tabla 17: Comparativa sistema anaerobio vs sistema aerobio. ................................................. 89
Tabla 18: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. ...................................... 93 Tabla 19: Comparativa de las características operacionales de los distintos tipos de reactores.
................................................................................................................................................... 97 Tabla 20: Tablas de caudales para el diseño. ........................................................................... 110
Tabla 21: Composición de las aguas residuales de la industria láctea. .................................... 110 Tabla 22: Valores de velocidad superficial en función del caudal para líquidos domésticos.. 112
1
MEMORIA DE PROYECTO
2
A pesar de la diversidad de productos elaborados por las plantas de tratamiento de leche, la
contaminación ambiental producida por este tipo de industrias está originada,
fundamentalmente por vertidos líquidos, siendo la provocada por sólidos, gases o ruidos de
mucha menor relevancia.
Antes de profundizar, sería conveniente realizar una distinción entre los distintos tipos de
efectos medioambientales de las industrias del sector, pudiendo centrarnos en cinco grandes
grupos: contaminación atmosférica, residuos sólidos, consumo de agua, consumo de energía, y
por último, efluentes líquidos, siendo este grupo el más importante. Los efluentes líquidos
surgen de la gran cantidad de aguas residuales que se generan en esta industria (entre 4-10
litros de agua residual por litro de leche), además, el tipo de residuo dependerá del producto
final buscado, bien sea leche, nata, queso, etc.
1 CAPÍTULO I: Industria Láctea. Procesos Productivos.
1.1 Procesos de elaboración de productos lácteos.
El procesado de la leche da lugar a una gran variedad de productos derivados: leche de
consumo, leche en polvo, leche concentrada, yogur, quesos, nata, mantequilla, postres
lácteos y helados, principalmente. Su elaboración consta de varias etapas en las cuales
aparecen residuos diversos.
Figura 1: Diagrama de productos lácteos.
Fuente: Elaboración propia.
PRODUCTOS LÁCTEOS
Leche de Consumo Derivados Lácteos
Yogur Queso Mantequilla Nata UHT Esterilizada Pasterizada
3
1.1.1 Leche de consumo
La gran facilidad de la leche para sufrir un rápido deterioro y contaminaciones de todo tipo
hace necesario someter la leche a un determinado tratamiento que permita aumentar el
tiempo de conservación y eliminar posibles contaminaciones antes de ser consumida.
Dependiendo de las características del tratamiento térmico al que se somete a la leche,
obtendremos básicamente tres tipos de producto final: leche pasterizada, leche esterilizada
y leche UHT.
Descripción general del proceso productivo Una vez recibida la leche se almacena temporalmente en tanques refrigerados hasta su
entrada en proceso. A continuación, la leche se filtra para eliminar los sólidos extraños
visibles y se clarifica para eliminar la suciedad residual. En esta etapa inicial puede sufrir
un proceso de acondicionado térmico o termización para impedir el crecimiento bacteriano
y reacciones químicas enzimáticas. Posteriormente, se procede a un desnatado para separar
la nata de la leche y se realiza la normalización o estandarización para ajustar el contenido
graso final de la leche. Por último, se procede al tratamiento térmico de estabilización
microbiológica, que en función de las condiciones de tiempo-temperatura podrá
considerarse como pasterización, esterilización o tratamiento UHT. Normalmente, el
tratamiento térmico y la homogeneización se realizan de forma simultánea; tras el
tratamiento térmico, la leche se almacena en condiciones adecuadas de temperatura en
función del tipo de producto final.
La leche pasterizada debe mantenerse refrigerada, la leche UHT se enfría hasta su
temperatura de envasado y la leche esterilizada se mantiene caliente hasta su envasado
final.
Finalmente, la leche es envasada y acondicionada para su distribución comercial, siendo la
técnica de envasado apropiada al tipo de leche tratada. La leche UHT se envasa en
condiciones asépticas, la leche pasterizada se envasa y se almacena en cámaras de
refrigeración y la leche esterilizada se envasa y se hace el tratamiento térmico final una vez
envasada.
De todas ellas, la leche UHT es la que supone la mayor parte de la producción de leche de
consumo. Presenta el 86% de la producción total de leche de consumo.
Figura 2: Diagrama de la distribución de leche en España.
Fuente: [Alimarket]
4
1.1.1.1 Diagrama de flujo
Figura 3: Diagrama de flujo de elaboración de leche de consumo y aromatizada.
Fuente: [Guía MTD en España Sector Lácteo]
En cada una de estas etapas que forman el proceso productivo de la leche de consumo
aparecen diferentes residuos, tal y como aparece en el siguiente esquema, en el que se muestra
el proceso productivo de la leche de consumo antes de realizar el tratamiento térmico,
vinculado al consumo de energía así como a la generación de residuos.
5
Figura 4: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche de consumo y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
6
1.1.1.2 Descripción de las operaciones y procesos
Recepción
La leche llega hasta la planta de tratamiento en camiones cisterna, tanques o en
cántaras. Tras la llegada de la leche a la central, se determina la cantidad recibida y
su calidad tanto física-química como higiénica.
Tras la recepción, la leche se almacena en condiciones refrigeradas hasta su entrada
en línea. Durante esta etapa puede detectarse leche que no cumpla con los
requisitos de calidad exigidos, por lo que puede dar lugar a un rechazo de la leche
recibida.
Filtrado
Antes de someter la leche al proceso de termización, se procede a eliminar las
partículas orgánicas e inorgánicas de suciedad que pueda contener la leche tras el
ordeño o el transporte.
Se puede realizar mediante filtros incluidos en las conducciones que llevan la leche
a los tanques de almacenamiento y haciéndola pasar por centrífugas que separen las
impurezas con un peso específico superior al de la leche. Normalmente estos filtos
son de acero inoxidable de diámetro de paso de 0.2 a 1mm, para eliminar así las
partículas más groseras.
En esta operación se generan los llamados lodos de clarificación, que son residuos
semipastosos formados por partículas de suciedad, células somáticas, gérmenes y
por otras sustancias principalmente de tipo proteico.
Desaireado
Esta operación es necesaria debido al alto porcentaje de aire que contiene la leche
cruda, y al aumento de éste durante el manejo de la leche en la instalación (puede
llegar al 10% del volumen total). Si no se elimina el aire se pueden producir
incrustaciones en equipos, falta de precisión en el desnatado, en la
homogeneización, etc.
La desaireación se realiza en primer lugar en un tanque a presión atmosférica y
posteriormente, antes de la esterilización, con equipos a vacío.
El tratamiento a vacío consigue eliminar tanto el aire disperso como el disuelto. La
leche, previamente calentada se introduce en la cámara de expansión, donde se ha
creado un vacío equivalente a un punto de ebullición de unos 7-8 ºC menos que la
temperatura de la leche, de tal forma que la caída de presión provoque la salida del
aire. Los vapores pasan a un condensador, donde la leche condensada vuelve con el
resto y los gases son separados.
En esta etapa se produce un consumo de energía eléctrica.
7
Centrífuga Clarificadora
Tras el proceso de desaireado se procede a un segundo proceso de filtrado, también
conocido como clarificación. Tiene por objeto la eliminación de partículas orgánicas e
inorgánicas y aglomerados de proteínas. Este tipo de equipos se basa en la separación
por centrifugación, que permite separar partículas de hasta 4-5µm de diámetro.
Las clarificadoras de leche están formadas por un cuerpo cónico relleno de un cierto
número de aletas con una inclinación determinada. La leche entra por la parte exterior de
las aletas, y al subir entre ellas las partículas de mayor densidad (impurezas) van yendo
hacia abajo por la fuerza centrífuga. Existen dos tipos de clarificadoras: las
autolimpiables y las que deben desmontarse para su limpieza. En cualquier caso, ambas
producen un consumo de energía eléctrica.
Termización
La etapa de termización consiste en el calentamiento de la leche cruda, durante 10-20
segundos como mínimo, a una temperatura comprendida entre 62°C y 65°C. Esta etapa
tiene como objetivo higienizar la leche recibida y acondicionarla microbiológica y
enzimáticamente (se inactiva el crecimiento microbiano, se procede a la inactivación
de enzimas que puedan dar lugar a reacciones químicas no deseadas).
Después de la termización se requiere una refrigeración inmediata a una temperatura de
unos 4ºC y conservarse después, en su caso, a un máximo de 8ºC.
Para este proceso se consume energía térmica.
Desnatado
El desnatado es la separación de la grasa de la leche para la obtención de leche parcial o
completamente desnatada. En esta operación se obtiene también nata con un contenido
graso aproximado del 40%.
Para esta operación se emplean desnatadoras centrífugas. Algunas centrífugas pueden
realizar simultáneamente la clarificación o higienización y el desnatado de la leche, por
lo que su utilización está muy extendida. La temperatura óptima para el proceso de
desnatado es de 50-60ºC. Estas centrífugas pueden contar además con un equipo de
estandarización del contenido de grasa de la leche.
El proceso de separación de la nata por centrifugación genera unos lodos o fangos (esos
lodos normalmente están conectados con la red de aguas residuales de las plantas) con
un contenido menor de componentes sanguíneos y bacterias que en el caso de la
filtración inicial de la leche cruda. Las centrífugas con sistemas de autolimpieza
eliminan estos lodos automáticamente de forma periódica y sin interrupción del proceso
de desnatado.
Estandarización
8
La estandarización del contenido graso de la leche consiste en ajustar el contenido de
grasa o añadir nata a la leche desnatada en distintas proporciones en función del tipo de
leche y/o producto lácteo que se quiera obtener.
La nata sobrante de esta etapa se destina a la elaboración de otros productos como nata
para consumo o mantequilla.
Para esto se emplean equipos de normalización automáticos que permiten realizar una
mezcla continua dentro del circuito de corriente del líquido en función del contenido
graso de la nata. Se instalan inmediatamente después de la desnatadora centrífuga y
únicamente conducen a la leche desnatada el caudal parcial del peso de nata necesario
para ajustar el contenido graso de la leche. La nata sobrante se desvía a otro circuito.
Homogeneización
Una vez que se ha ajustado el contenido graso, se procede a su homogeneización para
reducir y uniformizar el tamaño de los glóbulos grasos entre 0,5-1 µm. Con esto se evita
la separación de la nata, se favorecen las características organolépticas de la leche de
consumo y se facilita el procesado de otros productos lácteos.
Esta etapa se puede realizar de forma simultánea, antes o después del tratamiento
térmico de la leche. Como la homogeneización reduce la estabilidad de las proteínas
frente al calor, cuando se va a exponer la leche a altas temperaturas esta operación se
realiza tras el tratamiento térmico.
El efecto homogeneizador se consigue haciendo pasar la leche a elevada presión a través
de estrechas hendiduras cuyas medidas sean menores que las de los glóbulos grasos.
Cuanto más bajo sea el contenido de grasa y cuanta más alta sean la temperatura y la
presión, mayor será el grado de homogeneización. La temperatura óptima oscila entre
los 60-80º habitual es utilizar equipos homogeneizadores que están formados por una
bomba de alta presión con varios émbolos y cabezales, en cuyo interior se encuentran las
toberas de homogeneización.
Para la realización de este proceso se consumirá tanto energía eléctrica como térmica.
Tratamiento Térmico
El propósito del tratamiento térmico es la eliminación de los microorganismos que
contenga la leche y adicionalmente inactivar en mayor o menor grado los enzimas
lácteos presentes.
En función de la calidad de la leche cruda, del efecto germicida que se pretende alcanzar
(reducción o eliminación total de gérmenes), qué tipo de producto final se busca (leche
de consumo, fabricación de queso u otros productos lácteos) y lo que especifica la
legislación para cada caso, existen varios tipos de tratamiento térmico que se
distinguen entre sí por las características del binomio temperatura-tiempo utilizado en
ese tratamiento.
Según esto, se realizan principalmente tres tipos de tratamiento: pasteurización, UHT y
esterilización.
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1.1.1.3 Tipos de tratamiento térmico
El propósito del tratamiento térmico es la eliminación de los microorganismos que contenga
la leche y adicionalmente inactivar en mayor o menor grado los enzimas lácteos presentes.
En función de la calidad de la leche cruda, del efecto germicida que se pretende alcanzar
(reducción o eliminación total de gérmenes), qué tipo de producto final se busca (leche de
consumo, fabricación de queso u otros productos lácteos) y lo que especifica la legislación
para cada caso, existen varios tipos de tratamiento térmico que se distinguen entre sí
por las características del binomio temperatura-tiempo utilizado en ese tratamiento.
Según esto, se realizan principalmente tres tipos de tratamiento: pasteurización, UHT y
esterilización.
Pasteurización
Se entiende por leche pasteurizada la leche natural, entera, desnatada o semidesnatada,
sometida a un proceso tecnológico adecuado que asegure la destrucción de los gérmenes
patógenos y la casi totalidad de la flora banal, sin modificación sensible de su naturaleza
físico-química, características biológicas y cualidades nutritivas.
La legislación española considera que la leche pasterizada debe haberse obtenido
mediante un tratamiento (calentamiento uniforme de la leche en flujo continuo) que
utilice una temperatura elevada durante un corto lapso de tiempo (como mínimo 71,7°C
durante quince segundos) o un procedimiento de pasteurización que utilice diferentes
combinaciones de tiempo y temperatura para conseguir un efecto equivalente.
A nivel industrial, los valores tiempo-temperatura oscilan entre 15-30 segundos a 72-85
ºC.
Al ser un tratamiento que no persigue la destrucción de todos los gérmenes de la leche,
debe enfriarse inmediatamente y alcanzar lo antes posible una temperatura que no
exceda de 4-6°C.
El tratamiento UHT
La ultrapasterización o esterilización a temperaturas ultra-altas se basa en la aplicación
de una temperatura muy elevada (135-150ºC) durante un corto lapso de tiempo (por lo
menos, dos segundos) con el fin de destruir todos los microorganismos y sus
formas de resistencia (esporas), y posteriormente realizar un envasado aséptico en un
recipiente adecuado, de modo que se reduzcan a un mínimo las transformaciones
químicas, físicas y organolépticas.
Esterilización
Se entiende por leche esterilizada, la leche natural, entera, desnatada o semidesnatada,
sometida después de su envasado a un proceso de calentamiento en condiciones tales de
temperatura y tiempo que asegure la destrucción de los microorganismos y la inactividad
de sus formas de resistencia. Se realiza normalmente a temperaturas de 100-120ºC
durante tiempos de hasta 20 minutos.
10
1.1.2 Leche en polvo
La leche en polvo o leche deshidratada se obtiene mediante la deshidratación de la leche
natural concentrada o de la total o parcialmente desnatada, de la nata o de una mezcla de
estos productos, higienizada en estado líquido antes o durante el proceso de fabricación, y
cuyo contenido en agua es igual o inferior a un 5% en peso del producto final.
Descripción general del proceso productivo
Las fases de producción de la leche en polvo se subdividen en: selección y tratamientos
previos de la leche, al igual que la leche de consumo (recepción, almacenamiento,
termización, desnatado y almacenamiento previo a su concentración), obtención del
concentrado, deshidratación y envasado.
1.1.2.1 Diagrama de flujo
Figura 5: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche en polvo y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
Residuos
Orgánicos
11
1.1.2.2 Descripción de las operaciones y procesos.
Concentración
En el proceso de concentración de la leche se ha de incrementar lo más posible la
proporción de extracto seco del producto a concentrar, ya que el proceso de
concentración por evaporación es hasta tres veces más eficiente desde el punto de vista
térmico que el proceso final de desecación por aire.
El concentrado se deshidrata hasta que se llega casi al límite de fluidez, es decir, hasta
una proporción de extracto seco del 40-50%.
La relación de concentración depende del procedimiento de desecación a que se somete
el producto.
Para la obtención del concentrado se utilizan en la mayoría de los casos evaporadores de
película descendente de funcionamiento en múltiples efectos o evaporadores de
circulación natural, también de múltiples efectos.
Figura 6: Diagrama de un evaporador de película descendente (FF).
Fuente: [ecoplanning.fi]
12
Deshidratación
Se pueden utilizar dos tipos de desecación: secado por método de cilindros calientes (por
contacto o por película) y secado por atomización o pulverización.
El primero sólo se utiliza para la elaboración de determinados productos especiales
como pueden ser los elaborados con leche y cereales o los destinados a la alimentación
infantil, principalmente. El método por atomización es básicamente el sistema utilizado de
forma general para la elaboración de leche en polvo en España.
Consiste en pulverizar el concentrado de leche en una cámara llena de aire caliente o
atravesada por corrientes de aire caliente. Las gotitas son recogidas y arrastradas por una
corriente de aire caliente que les aporta el calor necesario para que se produzca la evaporación
del agua y que también se encarga de recoger y de evacuar esta agua que se evapora. Las
partículas secas, por el contrario, caen al fondo y se descargan.
La temperatura de entrada del aire calefactor oscila entre los 170-520ºC, mientras que la del
producto a desecar es de aproximadamente 45-50ºC esta diferencia de temperatura permite un
rápido traspaso del calor, lo que se traduce en una desecación rápida del producto.
Para evitar desnaturalización térmica del producto el proceso se divide en varias etapas con
distintas relaciones de temperatura-tiempo.
En la desecación primaria, que se hace en torre de secado, es donde se vaporiza rápidamente la
mayor parte del agua, dejando el producto con un 10-20% de humedad y en forma de
aglomerados de tamaño variable.
La desecación secundaria (en lecho fluidificado) termina de desecar el producto. Por último, hay
una aglomeración moderada con aire caliente o vapor de agua a temperaturas menores a 100ºC
y un enfriamiento por medio de aire frío deshumectado a la temperatura adecuada para el
almacenamiento o el envasado.
Estas instalaciones suelen disponer de sistemas de limpieza CIP independientes.
Tamizado y recuperación de finos
Esta etapa solo es necesaria cuando el secado se realiza en torres con lechos fluidificados,
pudiendo existir también una recuperación de finos.
Envasado
El envasado del producto en polvo enfriado se puede realizar, bien directamente a la salida del
último ciclón o del fluidificador, bien después de un almacenamiento temporal en silos.
Se suele envasar en sacos o recipientes herméticamente cerrados que aseguren protección total
contra contaminaciones, absorción de la humedad y acción de la luz.
13
1.1.3 Leches concentradas
Las denominadas leches concentradas, al igual que la leche en polvo, se encuadran dentro
de los denominados productos lácteos conservados, que son productos obtenidos de la leche
a los que se les somete a un proceso de extracción de agua.
Con el objetivo de conseguir productos que posean una conservación a largo plazo, en esta
denominación se encuadraría la leche concentrada, la leche condensada y la evaporada.
Descripción del proceso productivo
Los procedimientos de fabricación se subdividen en las siguiente etapas: selección y
tratamientos previos de la leche, al igual que la leche de consumo (recepción,
almacenamiento, termización, desnatado, estandarización, tratamiento térmico),
concentración o evaporación, inoculación, almacenamiento y envasado.
En el caso de la elaboración de la leche condensada, una vez realiza la evaporación o
concentración de la leche, se le añade azúcar y se envasa. El bajo contenido en agua y la
alta concentración en azúcar del producto final hace que este producto no necesite ningún
tipo de acondicionamiento final del producto envasado.
Sin embargo, para la elaboración de leche evaporada, después de la fase de concentración
se procede a su envasado y posteriormente se le realiza un tratamiento térmico de
esterilización.
A continuación se aprecian todos los procesos en el diagrama de flujo.
14
1.1.3.1 Diagrama de Flujo
Figura 7: Diagrama de flujo de la fabricación de la leche concentrada, condensada y evaporada y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
15
1.1.3.2 Descripción de las operaciones y procesos.
1.1.3.2.1 Concentración
La obtención del concentrado consiste en reducir el contenido de agua de la leche
aproximadamente en un 70%.
Este proceso se alcanza evaporando la cantidad adecuada de agua utilizando unos
equipos denominados evaporadores, consiguiéndose con ellos una reducción del
peso y volumen, con un aumento de la viscosidad y densidad de la leche.
La concentración consiste en evaporar productos líquidos que se hacen llevar a su
temperatura de ebullición en una cámara en donde únicamente hay vapor a
presión atmosférica.
Se utilizan evaporadores que funcionan a un vacío parcial para rebajar la
temperatura de ebullición. Este método tiene la ventaja de evitar modificaciones
profundas de la estructura de la leche (transformación de la lactosa y alteraciones
organolépticas), ya que se impide que la temperatura de ebullición tenga que
llegar a 100ºC.
Lo habitual es utilizar más de un evaporador, lo que se denomina evaporación de
múltiple efecto, ya que permite un consumo energético más eficiente.
El sistema más ampliamente utilizado es el doble efecto, en el que en un primer
evaporador se hace hervir una fracción del líquido a concentrar. Los vapores que
salen de él sirven para calentar y evapora otra fracción del líquido contenida en un
segundo evaporador, en el que se mantiene una presión inferior a la que aún reina
en el primero. Prácticamente, el líquido circula en continuo y, sucesivamente, a
través de los dos evaporadores sin dejar de hervir. El ahorro de vapor de
calentamiento es de alrededor del 50% con este sistema.
Generalmente se usan evaporadores en continuo de múltiple efecto, que tienen
como principal ventaja el reducir el tiempo de contacto entre la leche y el fluido
calefactor.
Otro método de ahorro energético, alternativo al múltiple efecto, es la
recompresión mecánica o térmica del vapor, ya que la entalpía del vapor emitido
por el evaporador, no es, por lo general, muy superior a la entalpía del vapor
utilizado para el calentamiento del propio evaporador.
Es habitual la reutilización de los condensados de los últimos efectos (agua a
unos 45ºC aproximadamente) para varias aplicaciones dentro de la industria: agua
de calentamiento para otras zonas, complemento al agua de aporte a calderas o
para la preparación de soluciones de limpieza, aunque en éste caso, se debe tener
en cuenta el tipo de detergente que se va a utilizar con este tipo de agua.
El proceso de concentración se da por finalizado cuando el concentrado alcanza el
porcentaje de extracto seco exigido para el producto lácteo concentrado en
cuestión.
16
1.1.3.2.2 Tanque de Espera
La leche concentrada que sale del último efecto de la etapa de concentración y que
se encuentra a una temperatura de 60-64ºC, se mantiene en un tanque de espera
durante un corto periodo de tiempo a fin de ajustar su viscosidad hasta los niveles
requeridos. Antes de su pase a la etapa siguiente de inoculación, la leche
concentrada se enfría hasta una temperatura de 25-28ºC.
1.1.3.2.3 Inoculación
En un tanque de incubación dotado de una agitación suave se añade lactosa en
polvo esterilizada con el objetivo que cada partícula de lactosa actúe como núcleo
de cristalización del azúcar y así conseguir una dispersión de los mismos. Esta
dispersión de los cristales mejora sus propiedades texturales finales.
17
1.1.4 Yogures y Leches Fermentadas
Todas las leches fermentadas tienen una característica común, la de obtenerse por la
multiplicación de bacterias lácticas en una preparación de leche. El ácido láctico que
producen coagula o espesa la leche, confiriéndole un sabor ácido más o menos
pronunciado.
Las características propias de las diferentes leches fermentadas se deben a la variación
particular de ciertos factores, como la composición de la leche, la temperatura de
incubación o la flora láctica.
La fermentación de la leche por las bacterias lácticas da como resultado la modificación de
los componentes normales de la leche, así la lactosa se transforma parcialmente en ácido
láctico o, en ciertas leches, en alcohol etílico. Los prótidos sufren un comienzo de
peptonización que mejora su digestibilidad y, en ocasiones, la leche se carga de CO2 y se
vuelve espumosa.
El yogur es la leche fermentada más conocida por lo que en este apartado se estudiará con
mayor atención.
Existe una gran variabilidad de tipos de yogur en función de su consistencia (coagulados,
líquidos, mousse), composición (desnatados, semidesnatados, normales, enriquecidos) o
sabor (natural, con azúcar, con sabores, con fruta, etc.).
Descripción general del proceso productivo del Yogur.
Se entiende por «yogur» o «yoghourt» el producto de leche coagulada obtenida por
fermentación láctica mediante la acción de «Lactobacillus bulgaricus» y «Streptococcus
thermophilus» a partir de leche pasterizada, leche concentrada pasterizada, leche total o
parcialmente desnatada pasterizada, leche concentrada pasterizada total o parcialmente
desnatada, con o sin adición de nata pasterizada, leche en polvo entera, semidesnatada o
desnatada, suero en polvo, proteínas de leche y/u otros productos procedentes del
fraccionamiento de la leche.(RD 179/2003).
El yogur puede prepararse con leche de cabra, de oveja y de burra aunque el más extendido
es el fabricado con leche de vaca.
Para la fabricación de yogur se parte de leche estandarizada en su contenido graso y
pasterizada para evitar contaminaciones microbianas no deseadas.
En primer lugar se procede a la fermentación de la leche mediante la inoculación del cultivo
bacteriano y posterior incubación de la leche a la temperatura adecuada. En función del tipo
de yogur elaborado la incubación se puede realizar en el mismo envase en el que se
comercializa el yogur o en tanques para su envasado posterior. La fermentación se detiene
mediante refrigeración.
La consistencia del yogur depende de la proporción del extracto seco magro (caseína) de la
leche, de tal forma que en ocasiones, en la elaboración de los yogures consistentes debe
añadirse leche en polvo desnatada o concentrando. La adición de azúcar y otros
complementos (jarabe de frutas, confituras, mermeladas, pulpa de frutas, etc.) puede
realizarse directamente al caudal de producto antes del envasado mediante equipos
dosificadores o en el tanque de fermentación o de almacenamiento.
18
1.1.4.1 Diagrama de Flujo
Figura 8: Diagrama de flujo de la fabricación del yogur y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
19
1.1.4.2 Descripción de las operaciones y procesos
1.1.4.2.1 Incubación
Previamente a la etapa de incubación se realiza la siembra de los
microorganismos responsables de la fermentación de la leche. La siembra
consiste en la inoculación del medio de cultivo en la leche previamente calentada
a la temperatura de incubación del cultivo.
Dependiendo del tipo de yogur, la siembra puede efectuarse en régimen de
continuidad, dosificando el cultivo directamente en el caudal de leche antes o
después del calentamiento (yogur firme o sólido) o de forma discontinua
añadiéndolo en el tanque de incubación (yogur líquido).
Tras la siembra de los fermentos da comienzo la etapa de incubación. En esta
etapa los microorganismos fermentativos metabolizan la lactosa produciendo
ácido láctico. Este fenómeno hace que el pH descienda produciéndose la
coagulación de la caseína. Este proceso tiene lugar en unas condiciones
determinadas de temperatura y tiempo (42º-45ºC durante 2,5–3 horas).
Una vez finaliza la coagulación de la caseína, se detiene el proceso haciendo
descender la temperatura de forma brusca.
La formación del gel de caseína es especialmente sensible a los esfuerzos
mecánicos, por lo que la incubación, en el caso del yogur firme, debe realizarse en
reposo total.
Según el producto a elaborar y el tipo de instalación disponible, la incubación
puede realizarse de las siguientes maneras:
♦Fermentación en los envases. Se utiliza en la fabricación de yogur coagulado o
yogur firme, realizándose la fermentación en el propio envase donde se va a
comercializar el producto. La siembra de la leche se produce en línea previamente
a su envasado y paletizado. Los palets de envases se introducen en las cámaras de
incubación calentadas por aire.
♦Fermentación discontinua en tanques. Es la técnica más eficiente desde el punto
de vista productivo y energético. La incubación se realiza en tanques de
fermentación y una vez finalizada, el yogur se enfría y se envasa. Se utiliza
preferentemente para la fabricación de yogures líquidos, aunque se puede utilizar
para yogures coagulados si se le añade a la leche agentes estabilizadores.
♦Fermentación continua. Este tipo de fermentación requiere de fermentadores
especiales que permitan la formación del yogur con un movimiento moderado.
La incubación requiere unas condiciones de temperatura (42–45ºC) durante
periodos de tiempo que pueden variar entre 2,5 y 3.
20
1.1.4.2.2 Refrigeración
El enfriamiento del yogur paraliza las reacciones fermentativas, evitando que el
yogur siga acidificándose. Dependiendo del tipo de sistema de incubación
utilizado (ver apartado anterior) encontramos dos sistemas de refrigeración
principales:
♦Túneles de enfriamiento de aire seco, cuando la fermentación se realiza en el
propio envase (yogur firme), los palets con los envases se introducen en túneles
de enfriamiento por aire seco frío en donde se hace descender la temperatura del
producto hasta 15ºC.
♦Intercambiadores de placas, cuando el enfriamiento se produce tras la
fermentación y antes del envasado (yogur líquido) se puede enfriar rápidamente el
yogur una vez incubado utilizando cambiadores de placas.
1.1.4.2.3 Envasado
Como se ha comentado anteriormente, el envasado puede realizarse antes o
después de la incubación.
Se aprovecha esta etapa de envasado para la adición de fruta, sabores y otros
ingredientes.
Generalmente para el envasado del yogur se utiliza casi siempre envases de
poliestireno con tapas laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable
con calor. También se utilizan otro tipo de envases como los tarros de vidrio.
21
1.1.5 Queso Fresco y Madurado
La elaboración de queso es una de las formas más antiguas de procesado de la
leche, realizándose de forma tradicional en cada pueblo, zona o comarca.
El queso es un producto fresco o maduro, obtenido por separación del suero después de la
coagulación de la leche natural, de la desnatada total o parcialmente, de la nata, del suero de
mantequilla o de una mezcla de algunos o de todos estos productos.
A continuación, después de la coagulación, se moldea, se sala, se prensa y en algunos tipos
de queso se siembra con cultivos fúngicos o bacterianos. En algunos casos se le añaden
también colorantes, especias u otros alimentos no lácteos. Se consume en fresco o con
distintos grados de maduración.
Se pueden seguir varios criterios para su clasificación:
-Según el origen de la leche con la que han sido elaborados (leche de vaca, cabra, oveja).
-Según las características del producto final (quesos con sal, quesos fundidos, etc.).
-Según el proceso de maduración (quesos curados, semicurados, frescos).
Descripción general del proceso productivo del queso.
Antes de comenzar con las operaciones de elaboración de queso, la leche debe ser tratada y
preparada para acondicionar sus características físicas, químicas y biológicas (filtración,
clarificación, estandarización) al producto final que se quiere obtener (ver descripción del
proceso productivo de la leche de consumo). La leche puede ser entera o estandarizada y se
pasterizará o termizará en función del tipo de queso a obtener (pasterizado o leche cruda).
La etapa de pasterización será obligatoria para los quesos que se consuman antes de los
sesenta días siguientes a su elaboración.
Una vez lista para iniciar la etapa de coagulación, se lleva la leche a la temperatura
adecuada y se añaden los fermentos y/o enzimas encargados de la formación del gel o
coagulo. Terminada la coagulación, se corta la cuajada en pequeños cubos para favorecer el
desuerado.
Después de separar el suero, se introduce la cuajada en los moldes y en algunos casos se
prensa. Una vez estabilizada la forma del queso, se sala y se procede a la maduración. En
algunos quesos el proceso termina con el desuerado y envasado sin que tenga lugar
la etapa de maduración (quesos frescos).
Actualmente, la mayor parte de los quesos frescos envasado sufren un proceso previo de
ultrafiltración que separa parte del suero antes de proceder a su cuajado en el propio envase.
22
1.1.5.1 Diagrama de Flujo
QUESO MADURO
Figura 9: Diagrama de flujo de la fabricación de queso maduro y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
23
QUESO FRESCO
Figura 10: Diagrama de flujo de la fabricación de queso fresco y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
24
1.1.5.2 Descripción de las operaciones
1.1.5.2.1 Coagulación
La operación de coagulación se basa en provocar la alteración de la caseína y su
precipitación, dando lugar a una masa gelatinosa que engloba a todos los
componentes de la leche. La naturaleza del gel que se forma al coagular la caseína
influye poderosamente sobre los posteriores procesos de fabricación del queso
(desuerado, desarrollo de la maduración, formación de “ojos”, etc.)
La coagulación se realiza en cubas donde se forma la cuajada, estas cubas no debe
moverse ni recibir golpes durante el tiempo de coagulación ya que de no ser así se
pueden alterar los procesos de coagulación con la consecuente pérdida de caseína
con el residuo líquido.
La coagulación puede realizarse de tres formas:
-Coagulación ácida.
-Coagulación enzimática.
-Coagulación mixta.
La coagulación ácida es la que se produce mediante ácidos, generalmente por la
acción de bacterias lácticas que producen la transformación de la lactosa en ácido
láctico. La formación de ácido láctico reduce el pH de la leche provocando la
alteración del complejo caseína-calcio, liberando progresivamente el calcio de
este complejo. Cuando el pH alcanza un valor de 4,6 se observa entonces la
precipitación de la caseína que queda nadando en la fase líquida
(lactosuero) que contiene además el calcio de la caseína en estado disuelto. El gel
resultante de este proceso, está formado por cadenas proteicas más o menos
polimerizadas formando una red, que no tiene ni rigidez ni compacidad.
La coagulación enzimática es el sistema de coagulación más empleado en la
elaboración de queso, se produce mediante la adición de enzimas tipo proteasas.
El cuajo obtenido de los estómagos secos de terneros en lactación contiene estos
enzimas, por lo que se ha empleado tradicionalmente en la producción de queso.
La coagulación enzimática transforma el complejo caseína–calcio que se
encontraba en disolución coloidal en una red de paracaseinato cálcico, formando
el gel o coágulo, que engloba el resto de componentes del queso. La carga mineral
de las micelas del coágulo así formado le confieren rigidez y compacidad. De esta
forma una parte importante de la fase líquida (lactosuero) queda retenida en esta
estructura.
La cantidad de enzima coagulante a añadir a la leche depende del valor de pH de
ésta, del poder o fuerza coagulante del enzima y de la concentración y
características de la leche a coagular. Otro factor importante a tener en cuenta en
la coagulación es la temperatura de adición del cuajo o enzimas coagulantes.
25
De la temperatura de adición del cuajo dependen los tiempos de coagulación y de
cuajado, además de influir en la capacidad de ligar agua, la retracción del coágulo
y la acidificación.
Normalmente se trabaja con temperaturas entre 28º y 34ºC excepto en el caso de
los quesos que no se someten a maduración donde se trabaja a temperaturas más
bajas.
Por último la coagulación mixta, es el resultado de la acción conjunta del cuajo y
la acidificación láctica. La obtención de un gel mixto puede realizarse
adicionando cuajo a una leche ácida o acidificando un gel enzimático.
En los quesos frescos envasados, la leche pasterizada es filtrada por medio de
membranas de ultrafiltración que retienen grasas, proteínas, parte del suero,
azúcares y sales antes de proceder a su cuajado dentro del envase
1.1.5.2.2 Corte y Desuerado
El gel formado en la coagulación, cualquiera que sea el método empleado,
constituye un estado físico inestable. Según las condiciones en las que se
encuentra, la fase líquida o lactosuero que lo impregna se separa más o menos
rápidamente. Este fenómeno es el que se conoce como desuerado.
En el caso de fabricación de queso fresco mediante ultrafiltración, la etapa de
desuerado no se efectúa de ésta manera. Por el uso de este proceso de filtración, a
la leche pasterizada se le retira, entre otros componentes, gran parte del suero
contenido en la misma. De esta forma, al añadir el producto en el envase junto
con los fermentos o el cuajo, el queso coagula en el propio envase sin necesidad
de desuerado posterior.
El desuerado de una cuajada obtenida por coagulación ácida es difícil y da lugar a
una cuajada muy húmeda y poco desuerada. Esto es debido a la dispersión de los
agregados de caseína, a la escasa contracción del coágulo y a la ausencia de carga
mineral de la caseína que forma una masa plástica que encierra el lactosuero. Se
puede considerar que el desuerado se produce como un escurrido a través de la
masa del coágulo.
El coágulo obtenido por vía enzimática no desuera al dejarlo en reposo sino que
para la salida del lactosuero es necesario realizar acciones mecánicas. Para
favorecer el desuerado, se corta la cuajada de esta forma se consigue multiplicar
la superficie de exudación.
Las condiciones en que se efectúa el troceado del gel influyen sobre el producto
final por lo que según el tipo de queso el troceado puede ser más o menos intenso.
Existen dos métodos principales de desuerado.
- En el desuerado en cuba, el coágulo es divido en cubos los cuales quedan
bañados por el lactosuero que exudan.
26
- En el desuerado en molde, el coágulo más o menos dividido es mantenido en
masa, de la cual el lactosuero es separado a medida que se va formando. En
algunos tipos de coágulos muy acidificados y desmineralizados se realiza la
separación del lactosuero por centrifugación.
La separación del lactosuero de las cuajadas dejadas en reposo es débil y lenta y
en la mayor parte de los quesos no se conseguiría la composición final deseada.
Por este motivo se realizan otras operaciones que facilitan el desuerado de la
cuajada. Existen dos tipos de tratamientos: térmicos y mecánicos.
Para la elaboración de determinados quesos donde se quiere obtener un extracto
seco muy alto se emplean los tratamientos térmicos, donde debido a la elevación
de la temperatura se produce un aumento del grado de desuerado del queso.
Para otros tipos de queso se pueden utilizar uno o varios de los siguientes
tratamientos mecánicos: cortado, la agitación, el moldeo o el prensado.
Según el tipo de coagulación empleado se obtendrá un tipo de lactosuero distinto:
-Suero dulce. Es generado durante la coagulación enzimática de la leche.
Generalmente contiene entre 0,6–0,9% de proteína soluble, alrededor del 0,3% de
grasa y una gran cantidad de lactosa (más del 5%). En este tipo de suero la
presencia de ácido láctico es prácticamente inapreciable.
-Suero ácido. Se genera cuando se realiza coagulación ácida para coagular la
leche. Este tipo de lactosuero contiene aproximadamente la misma proporción de
proteína soluble que el lactosuero dulce pero una menor proporción de grasa y
algo menos de lactosa (4,5%), mientras que el ácido láctico representa hasta un
0.8%.
Genéricamente, hablaremos de lactosuero para referirnos al suero obtenido en el
proceso de elaboración de queso independientemente del tipo de coagulación
empleado.
Recuperación del lactosuero
El lactosuero generado en la elaboración de queso es unas nueve veces el
volumen de queso elaborado, y tiene una DQO de 40.000-60.000 mg/l. Este
lactosuero debe ser recogido para su posterior valorización dentro o fuera de la
instalación, evitando así su vertido a colector que supondría un aporte muy
elevado de la carga orgánica al vertido final.
El lactosuero debe ser recogido, almacenado y transportado en condiciones
adecuadas para asegurar su posterior valorización.
En los casos en los que la valorización del lactosuero es externa, suele haber una
etapa previa de concentración mediante evaporación u ósmosis inversa para
reducir el volumen final transportado. Las posibilidades de valorización del
lactosuero son múltiples, aunque muchas de ellas condicionadas a su calidad.
27
Entre ellas podemos destacar:
- Directamente como materia prima para la elaboración de productos lácteos y
bebidas.
- Tras un proceso de ultrafiltración y secado mediante "spray drying" se obtiene
una fracción que puede llegar a contener entre un 25-80% de proteína y que
puede ser usada en la elaboración de múltiples productos alimenticios.
- Tras la concentración y secado mediante "spray drying" se obtiene un
polvo que es susceptible de ser utilizado en alimentación, aunque existen
problemas asociados por la caramelización de la lactosa. La precristalización de
la lactosa antes de la etapa de secado podría evitar este efecto.
- Para alimentación animal (porcino, bovino).
- Extracción de compuestos de interés (proteínas, sales, extractos alimentarios,
etc.).
- Producción de biogás mediante digestión anaerobia.
- Producción de bioalcohol tras fermentación.
- Desmineralización (+ secado para la elaboración de leche infantil y
chocolate). Desmineralización por medio de electrodiálisis o intercambio iónico.
Alto coste de implantación pero da como resultado productos de elevado valor
añadido.
1.1.5.2.3 Moldeo y prensado
El moldeo consiste en verter en los moldes preparados para este fin los trozos de
cuajada. Los moldes suelen ser de plástico (PVC) y, deben ser tales, que le
confieran al queso acabado las medidas y el peso establecido.
El prensado se aplica para favorecer la expulsión del suero intergranular de la
cuajada y dar al queso su forma definitiva. Fundamentalmente se prensan los
quesos de una mayor consistencia del producto final. La intensidad de la presión
ejercida variará en función del tipo de queso. El prensado de los quesos puede
realizarse tanto por la presión que ejerce el peso de los mismos quesos como
aplicando una fuerza adicional.
Este debe ser progresivo y uniforme, comenzando por una presión ligera de 1,5-2
kg dependiendo del tamaño de los quesos, para terminar hacia los 3,5-4 kg. de
presión.
Durante el prensado también se produce la salida de lactosuero de la masa del
queso, aunque la cantidad de lactosuero generada en esta etapa es menor que en el
desuerado.
28
1.1.5.2.4 Salado
Cada variedad de queso tiene asignado un determinado contenido en sal común.
Como norma general, el contenido de sal disminuye a medida que disminuye la
proporción de extracto seco.
El salado es uno de los factores que más influyen en el sabor del queso. Además
interviene en la regulación del contenido de suero y de la acidez. La sal hace que
se esponje la pasta del queso, asegura su conservación (junto con el valor de pH),
inhibe la germinación de los microorganismos causantes del hinchamiento y
estimula el desarrollo de la flora de maduración del queso. El contenido en sal
también influye en la consistencia del queso, cuanto mayor es el contenido en sal,
mayor es la consistencia.
Esta operación se puede realizar sobre la leche (en la cuba) o sobre el queso,
empleando salmueras (al 16–22% de sal) o sal seca. El tiempo y la cantidad o
concentración de sal depende del tipo de queso y del método de salado.
Las operaciones posteriores al salado dependen del tipo de queso que deseamos
como producto final, bien fresco o madurado. A continuación se indican las
distintas etapas para la elaboración de estos dos tipos de quesos.
a) Queso fresco
Los quesos frescos son aquellos que no tienen periodo de maduración o éste es
muy reducido, normalmente son aquellos que están dispuestos para el consumo al
finalizar su proceso de fabricación. Después del moldeo, prensado y salado,
sufren un proceso de enfriamiento que proporciona consistencia al queso, se
envasa y se almacena a temperatura de refrigeración para ser expedido al
consumidor.
a.1 Enfriamiento
El queso elaborado se enfría a temperatura de envasado en cámaras de
refrigeración.
a.2 Envasado
Para el envasado del queso fresco generalmente se utiliza envases de poliestireno
con tapas
laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable con calor.
a.3 Almacenamiento refrigerado
Desde el momento del acabado del producto hasta su distribución comercial, los
quesos frescos deben permanecer almacenados en cámaras de refrigeración.
29
b) Queso madurado
Queso madurado: es el que tras el proceso de fabricación requiere mantenerse
durante cierto tiempo a una temperatura y en condiciones tales que se produzcan
los cambios físicos y/o químicos necesarios y característicos del mismo.
b.1 Secado
Una vez terminada la operación de salado, el queso puede exponerse a una
corriente de aire para que se seque la superficie. El secado superficial tiene una
especial importancia cuando el queso se envuelve o se recubre de cera para su
maduración.
Esta operación se realiza en salas o cámaras de secado acondicionadas para este
fin. En ellas se hace circular una corriente de aire con unas condiciones de
temperatura y humedad controladas para provocar el secado superficial del queso.
b.2 Maduración
Los quesos, una vez salados y secados, son llevados a las salas o cámaras de
maduración, en las que se controla la temperatura y la humedad.
Durante este periodo los quesos pierden peso por evaporación y desarrollan
aromas y sabores característicos de cada tipo.
La maduración del queso incluye procesos físicos, microbiológicos y enzimáticos,
dando lugar a un producto acabado con unas determinadas características de
aroma, sabor y textura.
b.2.1 Transformaciones organolépticas
Los procesos más evidentes que tienen lugar son, generalmente:
-Formación de una corteza más o menos dura que según el tipo de queso puede
ser seca o estar recubierta con una capa de fermentos o mohos (aspecto externo).
-Formación de una pasta homogénea y suave de un color que puede ir desde el
blanco hasta el amarillo (aspecto interno).
-Formación de agujeros u “ojos”, de fisuras o de hendiduras.
30
b.2.2 Transformaciones químicas
La caseína sufre un desdoblamiento hidrolítico (descomposición con adición de
agua) que se desarrolla escalonada o paralelamente, a veces hasta sus
componentes elementales, los aminoácidos. En las transformaciones químicas
también se ven involucradas las grasas, que sufren un desdoblamiento que va a
ser el origen de la producción de las sustancias aromáticas que caracterizarán al
queso acabado.
b.2.3 Transformaciones microbiológicas
Una de las condiciones indispensables para que la maduración se desarrolle de
una forma óptima es la formación de una flora específica de
maduración. Se caracteriza fundamentalmente por ser una flora superficial y
por la formación de agujeros en el interior de la pasta del queso.
b.3 Acondicionamiento
Para una adecuada maduración los quesos sufren volteos periódicos con una
frecuencia determinada que permite que adquieran la forma correcta, se sequen de
forma homogénea y haya una correcta distribución de las sustancias antimoho
añadidas a la corteza (sorbato potásico o pintura plástica con pimaricina).
b.4 Almacenamiento
Después de la maduración los quesos están listos para salir al mercado, pero si no
hay demanda y se quieren almacenar, se introducen en cámaras de conservación a
temperaturas de 4-5ºC para evitar que sigan madurando y con una humedad algo
más elevada que en las cámaras de maduración para que el queso no siga
perdiendo peso.
31
1.1.6 Nata
La materia prima utilizada en el proceso de fabricación de este producto lácteo es la nata
obtenida de la leche en los diferentes procesos de desnate a que se ve sometida.
La nata de consumo se obtiene tras la estandarización con determinados ingredientes y
tratamiento térmico de la nata base. Puede comercializarse como nata fresca (pasterizada) o
de larga duración (tratamiento UHT y esterilizada) tras ser sometida a un proceso de
estabilización microbiológica mediante pasterización/esterilización y un envasado final.
Descripción del proceso productivo
La nata procede de la fase de desnatado que se realiza a la leche cruda. El proceso que se
aplica a la nata es un tratamiento térmico para estabilizarla desde el punto de vista
microbiológico. El tipo de tratamiento (pasterización, esterilización o UHT) depende del
producto final que queramos conseguir. Posteriormente la nata es envasada y almacenada.
Se entiende por nata pasterizada la sometida a un tratamiento térmico en condiciones tales
de temperatura y tiempo que aseguren la total destrucción de los gérmenes patógenos y la
casi totalidad de la flora banal sin modificación sensible de su naturaleza físico-química y
cualidades nutritivas.
Se entiende por nata UHT la sometida, en circulación continua, a tratamiento térmico que
asegure la destrucción de los gérmenes y la inactivación de sus formas de resistencia,
siendo posteriormente envasada en condiciones asépticas.
Se entiende por nata esterilizada a la sometida a un proceso de esterilización comercial,
semejante al descrito para la leche y los productos lácteos aromatizados (batidos).
32
1.1.6.1 Diagrama de flujo
Figura 11: Diagrama de flujo de la fabricación de nata y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
33
1.1.6.2 Descripción de las operaciones
1.1.6.2.1 Tratamiento térmico
Como se ha comentado anteriormente, el tipo de tratamiento térmico a realizar
depende del producto final requerido, nata pasterizada, nata esterilizada o nata
UHT.
Las temperaturas de pasteurización de la nata oscilan entre los 95º y 110ºC.
Cuanto mayor sea el contenido de grasa más alta tendrá que ser la temperatura de
pasteurización. Para esta operación se utilizan intercambiadores de placas
preparados y diseñados especialmente teniendo en cuenta la elevada viscosidad de
la nata, comparada con la de la leche.
El tratamiento de esterilización y UHT de la nata es similar al que se realiza en la
leche de consumo, pero teniendo en cuenta las presiones de homogeneización,
que deben ser adecuadas al tipo de nata que se quiere fabricar.
Para mejorar el rendimiento global del tratamiento de la nata se emplean líneas de
tratamiento completo que incluyen fase de calentamiento y de recuperación
térmica y de refrigeración, donde se enfría la nata. Se suelen usar tanques con
agitador y camisa externa, que sirven para refrigerar y estandarizar la nata.
1.1.6.2.2 Envasado y envasado aséptico
El material de envase podrá ser vidrio, cartón parafinado, material
macromolecular o cualquier otro autorizado para este fin. En el caso del envasado
aséptico se utilizarán envases previamente esterilizados, al igual que todas las
conducciones y equipamiento necesario para el envasado.
1.1.6.2.3 Almacenamiento
La conservación del producto se realizará en todo momento a una temperatura no
superior a 8ºC, a excepción de las natas UHT y esterilizadas.
34
1.1.7 Mantequilla
La mantequilla es un producto que se obtiene a partir de la nata tras su
maduración y eliminación de gran parte de la fase acuosa, con lo que en realidad es una
emulsión de agua en grasa.
Descripción general del proceso productivo de la mantequilla.
La mantequilla es un producto de olor y sabor característicos obtenido tras la maduración
de la nata, en la que ésta sufre una serie de transformaciones bioquímicas. Mediante el
batido y amasado, pierde gran parte de la fase acuosa y se transforma la emulsión de grasa
en agua (nata) en una emulsión de agua en grasa (mantequilla).
Existen varios sistemas para la elaboración de mantequilla, aunque por su mayor
representatividad podemos destacar dos: los basados en la aglomeración de los glóbulos
grasos y los basados en la refrigeración de una concentración de grasa (utilizado para
obtener mantequilla con un contenido en grasa inferior al 50%).
A continuación, describiremos el procedimiento continuo de elaboración de mantequilla
basado en la aglomeración de los glóbulos grasos, por ser el más relevante desde el punto
de vista de la producción total.
Previamente, la elaboración de mantequilla comienza con el tratamiento previo de la nata
(pasterización, refrigeración y maduración). A continuación, se separa la fracción acuosa
(mazada o suero de mantequilla) de los granos de mantequilla, los cuales se someten a un
posterior lavado con agua fría o con la propia mazada.
Finalmente, con el fin de obtener una masa compacta y homogénea en la que el agua esté
uniformemente distribuida, los granos de mantequilla se someten a un amasado. Por último
se realiza el envasado de la mantequilla
35
1.1.7.1 Diagrama de flujo
Figura 12: Diagrama de flujo de la fabricación de la mantequilla y sus residuos.
Fuente: [Elaboración propia]
36
1.1.7.2 Descripción de los procesos
1.1.7.2.1 Desodorización
Antes de la pasterización es aconsejable la desodorización de la nata, ya
que las sustancias aromáticas se encuentran en la grasa, por lo que pueden
transmitirse olores extraños a la mantequilla. También se reduce la oxidación de
los ácidos grasos y el crecimiento de microorganismos aerobios indeseables.
La desodorización se realiza en evaporadores a vacío, en los que hay una presión
tal que la temperatura de ebullición es de 7-9 grados menos que la temperatura de
la nata, evaporándose así las sustancias volátiles. Este proceso se realiza en
caliente para aumentar su efectividad, empleándose para ello intercambiadores de
calor indirectos (de placas o tubulares de superficie rascada)
1.1.7.2.2 Pasterización
Se emplean intercambiadores de calor indirectos, bien de placas especialmente
diseñados para la nata, bien tubulares de superficie rascada.
1.1.7.2.3 Maduración de la nata
La maduración de la nata tiene por objeto la cristalización de los glóbulos de
grasa y la formación de aromas. Se producen una serie de cambios físicos y
bioquímicos que dependen del sistema empleado en su fabricación:
Maduración sin acidificación
En el periodo de maduración no hay aporte de fermentos lácticos, produciéndose
únicamente cambios físicos. Para ello se mantiene la nata durante un cierto
tiempo en condiciones de temperatura determinadas.
Maduración con acidificación
La nata sufre, con esta técnica, tanto cambios físicos como bioquímicos, ya que
los fermentos lácticos añadidos transforman la lactosa en ácido láctico (entre otras
sustancias), acidificando el medio.
La técnica tradicional consiste en la adición de los fermentos en el tanque
de fermentación, procediéndose a la fase de batido una vez obtenido el pH
deseado. Existe otro procedimiento (denominado Nizo), en el que la adición de
los fermentos se realiza en la segunda sección del cuerpo de la amasadora
continua, siendo la acidificación más rápida y obteniéndose mazada dulce.
37
1.1.7.2.4 Batido-Amasado
En esta fase la emulsión de grasa en agua se transforma en la emulsión de agua en
materia grasa, mediante batido mecánico.
El batido produce una gran fuerza de cizallamiento, que rompe la envoltura
de los glóbulos grasos y permite su unión. Se forman dos fases: una fase grasa
compuesta por grumos de mantequilla y una acuosa compuesta por lo que se
denomina mazada o suero de mantequilla.
Una vez se han formado los granos de mantequilla, se separan las dos fases
(desuerado), y se lava (en algunos casos) la mantequilla con agua fría para
eliminar los restos de mazada.
Posteriormente se somete a la mantequilla a un amasado para formar una masa
compacta, distribuir en toda la masa las gotas de agua restantes y normalizar el
contenido en humedad y otras sustancias (sal, posibles aromas).
38
2 CAPÍTULO II: Contaminación en la Industria Láctea. Valores de emisión y Consumo.
2.1 Contaminación Atmosférica
La contaminación atmosférica en la industria láctea proviene, principalmente de
sus generadores de vapor. Se trata de calderas que trabajan a baja presión, con una
generación de vapor inferior a las 20 ton/hora.
Los contaminante que se pueden esperar en los gases de combustión son CO, SO2
o NOx y partículas. Los niveles de emisión de estos contaminante variarán en
función del tipo y calidad del combustible utilizado, del estado de las
instalaciones, de la eficiencia y control del proceso de combustión. Los
combustibles más empleados en las calderas son de tipo sólido (carbón y madera),
líquido (fuel o gasoleo) o gaseoso (gas natural).
A
d
e
m
á
s
,
o
t
r Tabla 1: Propiedades medias de algunos combustibles.
Fuente: [Brennan J.G., 1998]
Además, otro aspecto a considerar en las emisiones a la atmósfera es la emisión
de gases refrigerantes utilizados en los sistemas de refrigeración. Las pérdidas o
fugas de estos gases suponen un impacto medioambiental de importancia dada su
repercusión sobre la destrucción de la capa de ozono.
39
2.2 Residuos Sólidos
La mayor parte de los residuos generados en la empresa láctea son de carácter
inorgánico, principalmente residuos de envases y embalajes tanto de materias
primas y secundarias como del producto final. También se generan otros residuos
relacionados con las actividades de mantenimiento, limpieza o el trabajo de
oficina y laboratorio.
Tabla 2: Principales residuos encontrados en una empresa láctea.
Fuente:[Prevención de la contaminación en la industria láctea, PCIL]
2.3 Consumo de Agua
Las industrias lácteas consumen gran cantidad de agua en sus procesos y,
especialmente, para mantener las condiciones higiénicas y sanitarias requeridas.
El consumo suele rondar entre 1.3-3.2 L de agua/kg de leche recibida, pudiéndose
alcanzar valores mucho más elevados como 10 L agua/kg. Sin embargo,
optimizando los procesos, podríamos lograr valores de 0.8-1 L de agua/kg.
Las operaciones auxiliares, particularmente de limpieza y desinfección, es donde
se consume entre el 25-50% del total.
40
2.4 Consumo de energía
El uso de la energía es fundamental para asegurar el mantenimiento de la calidad
de los productos lácteos, especialmente en los tratamientos térmico, en las
operaciones de refrigeración y en el almacenamiento del producto. En una
empresa láctea el consumo energético se podría dividir en un 80% energía térmica
y un 20% energía eléctrica.
2.5 Efluentes Líquidos
Sin lugar a dudas, la generación de aguas residuales es el aspecto ambiental más
significativo de la industria láctea. Dependiendo del producto final buscado así
como del punto en el que nos encontremos en el proceso productivo, se generarán
distintos tipos de residuos líquidos.
Los vertidos generados en las empresas que procesan leche son de diversa
naturaleza. Los más habituales son: limpiezas de equipos, lavado de superficies,
servicios del personal... Existen, además, otros como el agua de lluvia, etc. Se
recomienda en estos casos disponer de redes separativas e intentar minimizar al
máximo la llegada de agua de lluvia al sistema de tratamientos de aguas
residuales.
En cuanto a la contaminación habitual, podría decirse que es de origen orgánico.
Esto se traduce en una demanda biológica de oxígeno (DBO) y una demanda
química de oxígeno. Además también se presentan grasas, fósforo y nitrógeno.
En cuanto a las etapas habituales para tratar este tipo de aguas residuales se
podrían dividir en cinco:
- Desbaste
- Sistema de Homogenización
- Sistema físico químico de flotación forzada
- Tratamiento biológico mediante fangos activos
- Deshidratación de fangos (decantadora centrífuga)
Es importante indicar que no siempre son necesarias todas, en algunas ocasiones
se puede ir trabajando por etapas en el proceso de depuración.
En general, los efluentes líquidos de una industria láctea presentan las siguientes
características:
- Alto contenido en materia orgánica, debido a la presencia de componentes de la
leche.
- Aceites y grasas, debido a la grasa de la leche y otros productos lácteos, como
las aguas de lavado de la mazada.
41
- Variaciones importantes del pH, vertidos de soluciones ácidas y básicas.
Principalmente procedentes de las operaciones de limpieza, pudiendo variar
entre valores de pH 2-11.
- Conductividad elevada.
- Variaciones de temperatura.
Los lácteos más producidos son la leche, el yogur, el queso, la nata y la
mantequilla, todos ellos generan residuos líquidos pero de distintos modos. El
proceso productivo es diferente en función del producto buscado, luego los
contaminantes también lo serán.
42
3 CAPÍTULO III: Residuos Orgánicos en la Industria Láctea.
En cada uno de estos procesos productivos se generan residuos de diversas formas. Los residuos
orgánicos resultan ser los más interesantes, ya que son susceptibles de metanizar. Así, estudiar
qué residuos orgánicos van surgiendo en dichos procesos va a ser necesario, así como su
composición. Resultará, que los residuos generados serán muy parecidos a pesar de ser procesos
diferentes.
3.1 Leche de Consumo
3.1.1 Recepción de la leche
El proceso de recepción de la leche es el primer lugar donde aparecen residuos orgánicos.
Una vez la leche es entregada por el ganadero a la central de tratamiento de lácteos, ésta
realiza un análisis para comprobar la calidad, concentración y composición de ésta leche. A
partir de estos datos, se decide si la leche está o no en buen estado. Es aquí donde puede
resultar que la leche se encuentre dañada y esa leche sería retirada como residuo. La leche
almacenada generalmente proviene de diferentes lotes con variada composición y calidad
que pueden afectar las variables en los procesos y por ende la calidad de los productos
finales obtenidos, pero utilizando silos de almacenamiento de mayores cantidades
(aproximadamente 300.000 Kg) se reduce significativamente las variaciones entre los lotes
de leche recogida durante 1 o 2 días.
Figura 13: Recepción y almacenamiento de la leche cruda.
Fuente: [PCIL 2002]
43
Durante el almacenamiento de la leche en silos de refrigeración pueden ocurrir los
siguientes riesgos de alteración de la leche: crecimiento de microorganismos psicótrofos,
actividad enzimática, cambios químicos y cambios físicos.
La composición de esa leche puede variar, dependiendo de cuál sea la razón de su malestar.
Las características fisio-químicas, expresadas en porcentaje en peso, que debe cumplir la
leche de acuerdo a su contenido en materia grasa es:
Tabla 3: Composición fisio-química de la leche expresada en % en peso.
Fuente: [Universidad de Murcia]
En caso de que los valores fueran superiores a éstos, esta leche sería retirada. Los valores
de las principales propiedades fisio-químicas de la leche natural se muestran en el siguiente
cuadro:
Tabla 4: Composición fisio-química de la leche natural.
Fuente: [Universidad de Murcia]
Existen diversos procedimientos para analizar el estado de la leche y la variación de estos
parámetros.
Además, la leche se recibe en cisternas, las cuales se someten a un proceso de limpieza, este
proceso genera residuos en los que la cantidad de agua es abundante, ya que el propio
transporte de la leche provoca un desnatado parcial de la misma. La limpieza de los silos de
almacenamiento genera unos residuos similares.
Por lo tanto, en el proceso de recepción de la leche pueden aparecer efluentes líquidos
provocados por leche en mal estado y por la limpieza de los equipos. Ambos son residuos
orgánicos, pero su composición es diferente. En cuanto a la leche los valores de grasas
están entre 0,3 y 3.5% mientras que en las aguas de limpieza aparece agua con un alto
contenido en grasas. Estos residuos son comunes a todos los procesos productivos de los
derivados lácteos.
44
3.1.2 Filtrado y Clarificación
A continuación, se eliminan las partículas orgánicas e inorgánicas de suciedad que pueda
contener la leche tras el ordeño o debido al transporte. También se eliminan los
aglomerados de proteínas (coágulos) que se forman en la leche. El grado de impurezas de
la leche variará en función de las técnicas de ordeño, del tratamiento en las granjas y del
transporte. En cualquier caso, es imprescindible un proceso de depuración en la industria.
En primer lugar, se puede realizar una filtración para eliminar las partículas más groseras.
Posteriormente, tiene lugar la clarificación de la leche, donde se eliminan las partículas
orgánicas e inorgánicas y los aglomerados de proteínas. Esta operación se realizará
utilizando centrífugas, que basándose en la fuerza centrífuga, separan las impurezas con un
peso específica superior al de la leche.
Figura 14: Filtrado y Clarificación de la leche.
Fuente: [PCIL 2002]
En esta operación se generan los llamados lodos de clarificación. estos lodos son residuos
semipastosos formados por partículas de suciedad, componentes sanguíneos, gérmenes y
por otras sustancias principalmente de tipo proteico. Si son vertidos con el efluente final
pueden producir aumentos importantes de la carga contaminante del vertido dando lugar a
problemas en el medio receptor. También se producen pérdidas de leche que pueden ser
arrastradas junto con las aguas residuales hasta el vertido final.
En la filtración aparecen como residuo los filtros usados en esta etapa. Tanto en la filtración
como en la clarificación se produce el consumo de energía eléctrica.
45
La composición química de estos lodos se presenta en la siguiente tabla:
CONCEPTO Unidades Concentración
Sólidos Totales % 0.8-1.2
Sólidos Volátiles % de ST 59-88
Proteína % de ST 32-41
Nitrógeno (N) % de ST 2.4-5
Fósforo % de ST 2.8-11
Óxido de Potasio % de ST 0.5-0.7
Celulosa % de ST -
pH u. pH 6.5-8
Contenido Energético kJ ST/kg 19.000-23.000
Tabla 5: Composición química de los lodos.
Fuente: [Elaboración propia]
3.1.3 Desnatado
El proceso de desnatado, dependiendo del tipo de leche a obtener, producirá más o menos
residuos orgánicos. La leche es estandarizada en materia grasa, si es preciso, mediante el
uso de desnatadores centrífugos, de forma que se consiga la cantidad de grasa adecuada,
aprovechándose la nata producida para la elaboración de nata para el consumo o
mantequilla. En este proceso se suelen producir efluentes con alto contenido en materia
grasa.
Figura 15: Desnatado y Normalización de la leche.
Fuente: [PCIL 2002]
46
El proceso de separación de la nata por centrifugación genera unos lodos o fangos con un
contenido menor de componentes sanguíneos y bacterias que en el caso de la leche cruda.
Como en el caso anterior, si los lodos son vertidos directamente al efluente final producen
un aumento importante de la carga orgánica del vertido.
3.1.4 Tratamientos térmicos
Los tratamientos térmicos habitualmente empleados son los siguientes: pasterización y
esterilización. En los tratamientos térmicos se suelen producir depósitos de proteínas que
quedan adheridos a las superficies de los cambiadores de calor y que posteriormente deben
ser arrastrados por las limpiezas químicas. Estos tratamientos serán comunes tanto para la
leche como para la nata, postres lácteos, etc.
3.1.5 Composición química de los residuos
Tras todos estos procesos, las aguas residuales generadas tendrán la siguiente composición:
Tabla 6: Composición de las aguas residuales generadas en el proceso de elaboración de leche de consumo.
Fuente: [Escuela Organización Industrial Sevilla]
47
En un informe de la Dirección General de Alimentación del MAPA, se aprortan los
siguientes datos de concentraciones medias para las aguas residuales de una central lechera
tipo. Estos datos, por tanto, son también significativos de la composición de las aguas
residuales de una central de productos lácteos:
Tabla 7: Concentración de las aguas residuales de una central lechera tipo.
Fuente: [Escuela Organización Industrial Sevilla]
48
3.2 Yogures
Para la formación de yogur se parte de leche normalizada en su contenido graso y
pasterizada para evitar contaminaciones microbianas no deseadas.
En primer lugar se procede a la fermentación de la leche a la temperatura adecuada. En
función del tipo de yogur elaborado la incubación se puede realizar en el mismo envase en
el que se comercializa el yogur o en tanques para su envasado posterior. La fermentación se
detiene mediante refrigeración.
3.2.1 Incubación
En esta etapa, los microorganismo fermentativos metabolizan la lactosa produciendo ácido
láctico. Esto, provoca un descenso del pH, produciéndose la coagulación de la caseína. La
formación de gel de caseína es especialmente sensible a los esfuerzos mecánicos, por lo que
la incubación debe realizarse en reposo total.
Dependiendo del producto a elaborar y el tipo de instalación disponible, la incubación
puede realizarse de las siguientes maneras:
-Fermentación en los envases
-Fermentación discontinua en tanques
-Fermentación continua
Por lo tanto, los residuos generados en este proceso serán del tipo inorgánico y se basan en
envases defectuosos. También puede haber pérdidas de producto.
Figura 16: Fermentación en los envases.
Fuente: [PCIL 2002]
49
Figura 17: Fermentación discontinua en tanques.
Fuente: [PCIL 2002]
3.2.2 Envasado
Como se ha comentado anteriormente, este proceso puede realizarse antes o después de la
incubación. Generalmente para el envasado del yogur se utilizan envases de poliestireno
con tapas laminadas de aluminio recubierto de polietileno sellable con calor. También se
utilizan otros tipos de envases como los tarros de vidrio.
Así pues, la generación de residuos de envases suele ser el principal residuo generado en
esta etapa. En ocasiones pueden producirse también pérdidas de producto que se eliminan
con las aguas residuales en las operaciones de limpieza.
Por tanto, en esta etapa, aparecen residuos provenientes de envases, que serán los más
importantes, y derrames de producto no conforme. Además se consumirá energía eléctrica.
Figura 18: Etapa de Envasado.
Fuente: [PCIL 2002]
50
3.2.3 Composición de las aguas residuales
Estas aguas residuales generadas, tendrán de media la siguiente composición:
PARÁMETRO QUESOS
pH 9
Conductividad (mS/cm) 1.1
DQO (mg/l) 6.000
DBO5 (mg/l) 3.000
Sólidos en suspensión 1.600
Materia Sedimentable (ml/l) 97
Fósforo (mg/l) 130
NTK (mg/l) 8
Cloruros (mg/l) 92
Nitratos (mg/l) 0.2
Nitritos (mg/l) 10
Aceites y grasas (mg/l) 365
Detergentes (mg/l) 1
Tabla 8: Aguas residuales tras la elaboración de yogur.
Fuente: [Elaboración propia]
51
3.3 Quesos
Los tipos de queso existentes en el mercado, son tan numerosos como sus métodos de
preparación. Por regla general su proceso es el siguiente:
Figura 19: Proceso productivo de la elaboración de queso.
Fuente: [Contaminación en la Industria Láctea]
Los efluentes que más contaminación provocan son los sueros, los cuales contienen gran
cantidad de lactosa y las proteínas del suero lácteo. Es aconsejable que estos sueros no sean
vertidos de forma directa al cauce o a la depuradora, pues provocarían un enorme
incremento de la DBO. En las plantas más modernas se obtiene a partir de él lactosuero,
proteínas del suero lácteo y lactosa en polvo, productos con un alto valor añadido y de fácil
venta posterior.
El proceso de salado también provoca la emisión de efluentes líquido, aunque en este caso
con escasa materia orgánica y gran cantidad de sales.
52
3.3.1 Corte y Desuerado
El principal residuo generado por la elaboración de queso es la producción de lactosuero.
Según el tipo de coagulación empleado se obtendrá un tipo de lactosuero distinto:
-Suero dulce: Es generado durante la coagulación enzimática de la leche. Generalmente
contiene entre 0.6-0.9% de proteína soluble, alrededor del 0,3% de grasa y una gran
cantidad de lactosa (más del 5%). En este tipo de suero, la presencia de ácido láctico es
prácticamente inapreciable.
-Suero ácido: Se genera cuando se realiza coagulación ácida para coagular la leche. Este
tipo de lactosuero contiene aproximadamente la misma proporción de proteína soluble que
el lactosuero dulce pero una menos proporción de grasa y algo menos de lactosa (4.5%),
mientras que el ácido láctico representa hasta un 0.8%.
Genéricamente hablaremos de lactosuero para referirnos al suero obtenido en el proceso de
elaboración de queso independientemente del tipo de coagulación empleado.
El contenido en lactosa y proteína del lactosuero origina un incremento especialmente alto
del grado de contaminación de las aguas residuales (llegando a superar los 60.000 mg DQO
/ l de lactosuero). Por esta razón hay que evitar el vertido de lactosuero con el resto de las
aguas residuales.
Figura 20: Proceso de corte y desuerado.
Fuente: [PCIL 2002]
53
La composición media del lactosuero se muestra en la siguiente tabla:
Tabla 9: Composición media del lactosuero procedente de la leche.
Fuente: [Escuela OI Sevilla]
En caso de diferenciar los sueros por su acidez, la composición varía. Esta diferencia es
mostrada en la siguiente tabla:
Tabla 10: Composición del lactosuero ácido y dulce.
Fuente: [Panesar, 2007]
En cualquiera de los dos tipos de lactosuero obtenidos, se estima que por cada kg de queso
se producen 9kg de lactosuero, esto representa cerca del 80-90% del volumen de la leche y
contiene aproximadamente el 55% de sus nutrientes.
54
3.3.2 Moldeo y Prensado
El moldeo consiste en verter, en los moldes preparados para este fin, los trozos de cuajada.
En cuanto al prensado, se aplica para favorecer la expulsión del suero intergranular de la
cuajada y dar al queso su forma definitiva.
Durante el prensado también se produce la salida de lactosuero de la masa del queso,
aunque la cantidad de lactosuero generada en esta etapa es menos que en el desuerado.
Figura 21: Moldeo y Prensado de la cuajada de leche.
Fuente: [PCIL 2002]
3.3.3 Salado
El salado es uno de los factores que más influyen a la hora de darle al queso el sabor
deseado. Además interviene en la regulación del contenido de suero y de la acidez.
En la etapa de salado se produce el consumo de agua para la formación de la salmuera y el
vertido puntual de estas una vez se agotan. En el caso de realizarse esta operación mediante
la aplicación de sal seca sobre la superficie del queso, se producen restos de sal que se
retiran con aguas de limpieza. Esto produce un vertido de elevada conductividad (similar al
vertido de salmuera). En caso de que la sal sea retirada en seco, se produce un residuo.
Figura 22: Proceso de salado de los quesos.
Fuente: [PCIL 2002]
55
En conclusión, el proceso de salado también provoca la emisión de efluentes líquidos,
aunque en este caso con escasa materia orgánica y gran cantidad de sales.
3.3.4 Composición de las aguas residuales
Finalmente se puede decir, que de un modo general, en el proceso de producción de quesos,
la contaminación es de origen orgánico. Esto se traduce en una demanda biológica de
oxígeno (DBO) y una demanda química de oxígeno (DQO). Además, también se presentan
grasas, fósforo y nitrógeno. Por lo tanto, las aguas residuales tendrán, en este caso, la
siguiente composición:
PARÁMETRO QUESOS
pH 6.9
DQO (mg/l) 4500
DBO5 (mg/l) 2750
Sólidos en suspensión 850
Fósforo 35
NTK 100
Conductividad 3150
Cloruros 220
Nitratos 105
Nitritos 35
Aceites y grasas (mg/l) 365
Detergentes 7
Tabla 11: Aguas residuales tras la producción de quesos.
Fuente: [Elaboración propia]
56
3.4 Nata y Mantequilla
Como ya se ha explicado, la nata de consumo se obtiene tras la desodorización y
tratamiento térmico de la nata base. Por otro lado, la mantequilla es un producto de olor y
sabor característicos obtenido tras la maduración de la nata, en la que ésta sufre una serie de
transformaciones bioquímicas. En la siguiente figura se muestra un diagrama de flujo, en el
cual se puede observar como las primeras etapas coinciden en ambos procesos. Por este
motivo se realiza el estudio de los residuos de forma conjunta:
Figura 23: Diagrama de flujo de la conversión de nata en mantequilla.
Fuente: [Guía MTD en España en el sector lácteo]
La elaboración de mantequilla comienza con el tratamiento previo de la nata (pasterización
y desodorización).
Posteriormente se somete a un periodo de maduración, tras el cual la nata se bate para
formar los grumos de mantequilla.
A continuación, se separa la fracción acuosa (mazada o suero de mantequilla) de los granos
de mantequilla, los cuales se someten a un posterior lavado con agua fría o con la propia
mazada.
Finalmente, con el fin de obtener una masa compacta y homogénea en la que el agua esté
uniformemente distribuida, los granos de mantequilla se someten a un amasado. Por último
se realiza el envasado de la mantequilla.
57
3.4.1 Batido y Amasado
En la operación de batido-amasado se produce la generación de la mazada con la que se
eliminan también la mayor parte de los microorganismos presentes en la nata (fermentos
lácticos y otros microorganismos). Si la mazada es eliminada junto con las aguas
residuales generadas en la empresa se produce el aumento de la carga contaminante de esta
agua pudiendo dañar el medio receptor.
Por otra parte, en el lavado se produce el consumo de agua y su vertido posterior con los
restos de mazada.
Figura 24: Batido y amasado de la nata.
Fuente: [PCIL 2002]
La composición química de la mazada es la siguiente:
PARÁMETRO en 100g
Carbohidratos 4.9g
Grasas 3.3g
Proteínas 3.2g
Calcio 115mg
Tabla 12: Composición química de la mazada.
Fuente: [elaboración propia]
Además de la propia mazada, las aguas residuales con restos de mazada, son aguas con un
alto contenido en grasas.
58
3.5 Limpieza de Equipos
La limpieza y desinfección en la industria láctea, al igual que para el resto de los sectores
de fabricación de alimentos y bebidas, es de suma importancia, pues el producto que se
elabora está destinado a consumo humano.
El mantenimiento de las condiciones higiénicas en la empresa láctea exige llevar a
cabo operaciones de limpieza y desinfección de forma continua, pudiendo llegar a suponer
la cuarta parte del tiempo total de trabajo. Estas operaciones pueden llegar a suponer,
dependiendo del tipo de producto lácteo a elaborar, la mayor parte del consumo de agua,
energía y productos químicos de la instalación, así como un considerable volumen de aguas
residuales
Por limpieza se entiende la eliminación total de todos los restos de materia orgánica o
componentes de la leche y otras suciedades visibles. Mientras que mediante la desinfección
se pretende eliminar todos los microorganismos patógenos y la mayoría de los no
patógenos que afectarían la calidad del producto.
La limpieza y la desinfección son dos operaciones que suelen realizarse sucesivamente en
el tiempo, primero limpieza y luego desinfección, empleando detergentes y desinfectantes
por separado. Sin embargo, también pueden realizarse de forma conjunta utilizando
productos de acción combinada.
En cualquier caso, para la realización de las operaciones de limpieza y desinfección es
necesario aportar:
-Agua, que cumple con varias funciones. Entre ellas están: reblandecer y/o disolver la
suciedad adherida a las superficies, la formación de soluciones detergentes y la eliminación
de los restos de soluciones limpiadoras.
-Energía térmica para alcanzar la temperatura óptima del proceso, y energía eléctrica para
hacer circular las soluciones limpiadoras por los equipos y conducciones (Sistemas CIP).
- Productos químicos (detergentes, desinfectantes).
-Personal para llevar a cabo las operaciones de limpieza.
Los medios de limpieza se pueden clasificar en mecánicos o físicos (presión, temperatura,
cepillos, esponjas y escobas) y químicos (productos ácidos y básicos). Normalmente se
utilizan de manera conjunta en la limpieza de equipos e instalaciones.
Los medios físicos se emplean para arrastrar de forma mecánica la suciedad. La utilización
de cepillos, esponjas, etc. suponen un método barato, aunque tienen el inconveniente de
necesitar una limpieza adecuada para no convertirse en una fuente de contaminación.
Los métodos químicos se basan en la utilización de productos químicos, que en la mayoría
de los casos se aplican en forma de disoluciones acuosas de carácter ácido o básico.
Los detergentes alcalinos provocan la emulsión de las grasas, lo que las hace fácilmente
arrastrables, mientras que los productos ácidos, disuelven y eliminan las incrustaciones
formadas por acumulación de las sales de la leche y del agua.
59
Al igual que en el caso de la limpieza, los medios de desinfección pueden ser físicos (como
la temperatura) o químicos (productos desinfectantes). La acción de la temperatura consiste
en aplicar calor, mediante agua caliente, vapor o aire caliente, a las superficies que se
quieren desinfectar.
La mayor parte de los desinfectantes químicos contienen como compuesto germicida
sustancias alcalinas, cloro y oxígeno. Los productos desinfectantes contienen además otras
sustancias como ácidos o bases, inhibidores de la corrosión y formadores de complejos para
mejorar su aplicación industrial.
En función del tipo de suciedad existente en el equipo, superficie o instalación se aplicará el
correspondiente protocolo de limpieza y desinfección en el que se determina el método, los
productos y el manejo del mismo. En la industria láctea la suciedad se debe principalmente
a los componentes de la leche, en su mayor parte grasas y proteínas, por su deposición en
las conducciones y equipos.
Figura 25: Recursos consumidos y residuos generados en la limpieza y desinfección de equipos.
Fuente: [PCIL 2002]
Como consecuencia de las operaciones limpieza se produce el vertido de las aguas de
limpieza y de productos químicos empleados, más la carga orgánica debida al arrastre o
disolución de los restos de producción.
Lo más corriente es que en estos procesos se eliminen restos de componenetes orgánicos de
la leche (gras, proteínas, sales minerales).
A pesar de que la utilización de sistemas de limpieza basados en los medios físicos supone
ahorros en el consumo de agua y una menor generación de vertido, la utilización de
productos de limpieza, por otra parte, produce un mayor volumen de aguas residuales.
En general, existe una gran oscilación en la contribución de la carga orgánica de los
distintos detergentes (entre 30-1.200 mg O2/litro) debido a la diferente composición
química de estos productos. Así podemos encontrar productos alcalinos sin tensioactivos en
el margen inferior y productos tensioactivos detergentes espumantes en el margen superior
de los valores indicados.
60
Figura 26: DOQ de diferentes productos lácteos y detergentes.
Fuente: [PCIL 2002]
Otro aspecto importante en la utilización de productos detergentes es el contenido en
fosfatos y/o nitratos, ya que contribuyen de forma importante en los procesos de
eutrofización de las aguas. Los detergentes tradicionales que contienen ácido fosfórico y
que se emplean en las operaciones de limpieza contienen del 10 al 20% de fósforo, por lo
que su contribución a las aguas residuales debe tenerse en cuenta.
61
3.6 Datos Residuales
Tras todo este estudio, se puede concluir que el problema medioambiental más importante
de la industria láctea es la generación de aguas residuales, tanto por su volumen como por
la carga contaminante asociada. En cuanto al volumen de aguas residuales generado por
una empresa láctea se pueden encontrar valores que oscilan entre 2 y 6 L/L de leche
procesada.
Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo
Actividad Principal Volumen de Aguas Residuales*
Fabricación de Mantequilla 1.0 - 3.0
Fabricación de Queso 2.0 - 4.0
Fabricación Leche de Consumo 2.5 - 9.0
Tabla 13: Volumen de aguas residuales en función del proceso productivo.
Fuente: [Elaboración propia]
* Expresado en litros de aguas residuales/litro de leche
Valoración cualitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea
Tabla 14: Valoración cuantitativa del vertido de aguas residuales en la industria láctea.
Fuente: [PCIL 2002]
62
Composición de las aguas residuales de la industria láctea:
ppm
CONSTITUYENTE RANGO MEDIA
DBO5 450-4800 1885
DQO5
Sólidos en Suspensión 24-5700 1500
Sólidos Totales 135-8500 2400
pH 5.3-9.4
Grasa 35-500 209
Proteinas 210-560 350
Carbohidratos 252-931 522
Fósforo 11-160 50
Tabla 15: Composición de las aguas residuales de la industria láctea.
Fuente: [Elaboración propia]
En conclusión, la industria de derivados lácteos genera una gran cantidad de aguas
residuales con una alta cantidad de residuos orgánicos. Estos residuos pueden ser
sometidos a un tratamiento biológico para su aprovechamiento mediante un reactor
anaerobio. Al existir gran variedad de reatores, será preciso escoger cual es el más
adecuado para esta operación.
63
4 CAPÍTULO IV: Digestión Anaerobia. Procesos y Reactores.
4.1 Digestión anaerobia de residuos. La digestión anaerobia es un proceso biológico en el que la materia en ausencia de oxígeno, y
mediante la acción de un grupo de bacterias específicas, se descompone en productos gaseosos
o “biogás” (CH4, CO2, S, etc.),y en digestato, que es una mezcla de productos minerales (N, P,
K, Ca, etc.) y compuestos de difícil degradación.
El biogás contiene un alto porcentaje en metano, CH4 (entre 50-70%), por lo que es susceptible
de un aprovechamiento energético mediante su combustión en motores, en turbinas o en
calderas, bien sólo o mezclado con otro combustible.
El proceso controlado de digestión anaerobia es uno de los más idóneos para la reducción de
emisiones de efecto invernadero, el aprovechamiento energético de los residuos orgánicos y el
mantenimiento y mejora del valor fertilizante de los productos tratados.
La digestión anaerobia puede aplicarse, entre otros, a residuos ganaderos, agrícolas, así como a
los residuos de las industrias de transformación de dichos productos. Entre los residuos se
pueden citar purines, estiércol, residuos agrícolas o excedentes de cosechas, etc. Estos residuos
se pueden tratar de forma independiente o juntos, mediante lo que se llama co-digestión.
La digestión anaerobia también es un proceso adecuado para el tratamiento de aguas residuales
de alta carga orgánica, como las producidas en la industria de derivados lácteos.
Existen muchos beneficios asociados a la digestión anaerobia, estos son:
- reducción significativa de malos olores
- mineralización
- producción de energía renovable
- reducción de emisión de gases de efecto invernadero
Figura 27: Proceso de digestión anaerobia y de generación de calor y electricidad a partir de residuos orgánicos.
Fuente: [Digestor Biomasa. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio]
64
4.1.1 Comparación con tratamientos aerobios
Ventajas:
- Bajo consumo de energía.
-Al tratarse de un tratamiento anaerobio, no se requiere aporte de O2.
-Posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como combustible.
-El lodo obtenido es un lodo estabilizado
Inconvenientes:
-Largo período de arranque si no se utiliza inóculo (4-6 meses).
-Es un proceso sensible a una variación de condiciones ambientales.
-Menos eficiencia en remoción de MO (aproximadamente un 80%).
4.1.2 Etapas de la digestión anaerobia
La digestión anaerobia es el proceso en el cual microorganismos descomponen material
biodegradable en ausencia de oxígeno. El propósito de este proceso es el aprovechamiento
de los gases generados en esta operación. Se producen una gran variedad de gases, siendo
los más abundantes el dióxido de carbono y el metano. En biodigestores, estos gases son
aprovechados para utilizarlos como combustible.
La intensidad y duración del proceso anaeróbico varían dependiendo de diversos factores,
entre los que se destacan la temperatura y el pH del material biodegradado
La digestión anaerobia es un proceso que consta de 4 etapas. Hidrólisis, acidogénesis,
acetogénesis y metanogénesis.
Figura 28: Etapas de la digestión anaerobia.
Fuente: [agrowaste.eu]
65
4.1.2.1 Hidrólisis
En esta primera etapa, el propósito es transformar los compuestos más complejos en
material disuelto más simple. Esto se logra a través de enzimas producidas por bacterias
fermentativas.
Figura 29: Proceso de Hidrólisis.
Fuente: [Elaboración Propia]
4.1.2.2 Acidogénesis
Tras la creación de material más simple, se lleva a cabo la acidogénesis. En esta segunda
etapa, los productos solubles son convertidos en ácidos grasos volátiles, CO2, H2, H2S, etc.
Esto se produce por la acción de las bacterias fermentativas acidogénicas
.
Figura 30: Proceso de Acidogénesis.
Fuente: [Elaboración Propia]
66
4.1.2.3 Acetogénesis
Los ácidos orgánicos generado, son transformados en esta etapa en sustrato para las
bacterias metanogénicas.
.
Figura 31: Proceso de Acetogénesis.
Fuente: [Elaboración Propia]
4.1.2.4 Metanogénesis
Por último, se produce gas metano a partir del acetato generado previamente (bacterias
metanogénicas acetoclásticas) y de H2S y CO2 (bacterias metanogénicas hidrogenotróficas).
Figura 32: Proceso de Metanogénesis.
Fuente: [Elaboración Propia]
67
4.1.3 Requisitos Ambientales
A diferencia de los procesos aerobios, los procesos anaerobios precisan una serie de
requisitos medioambientales. Estos factores son necesarios para que pueda desarrollarse el
proceso de manera satisfactoria.
pH y alcalinidad:
El pH debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre 6.5
y 7.5. Su valor en el digestor no sólo determina la producción de biogás, sino también su
composición. Por otra parte, la alcalinidad, que es una medida de la capacidad tampón
del medio, se recomienda que no sobrepase valores de 0.3-0.4 para evitar la acidificación
del reactor.
Nutrientes:
Se requiere unos valores de nutrientes que aseguren el crecimiento de microorganismos.
Para ello es necesaria la presencia de macronutrientes (N, P, S) y micronutrientes (Fe,
Zn, etc.) en proporciones adecuadas. Estos elementos se encuentran presentes en el
líquido residual doméstico.
Una de las ventajas inherentes al proceso de digestión anaerobia es su baja necesidad de
nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento. El carbono y el
nitrógeno son las fuentes principales de alimentos de las bacterias formadores de
metano. Por lo tanto, la relación Carbono/Nitrógeno tiene una gran importancia para el
proceso fermentativo, recomendándose un ratio 20-30 como el óptimo.
Temperatura
A medida que aumenta la temperatura, aumenta con ella la velocidad de crecimiento de
los microorganismos y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores
producciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, está considerada
uno de los principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de temperatura
en el mismo podría provocar una desestabilización en el proceso.
En cuanto a la temperatura se distinguen dos rangos fundamentalmente, el rango
mesófilo (25-45ºC) y el rango termófilo (50-55ºC). El primero es el más común a pesar
de que el termófilo se está utilizando cada vez más para lograr una mayor velocidad del
proceso, y por tanto una mejor eliminación de organismos patógenos. Sin embargo, el
rango termófilo suele ser más inestable ante los cambios en las condiciones de operación
y presenta además problemas de inhibición del proceso por la sensibilidad a compuestos
concretos como el amoniaco.
68
4.2 Reactores Anaerobios
Existen dos grandes grupos de reactores anaerobios para el tratamiento de aguas residuales.
Estos grupos difieren en el tipo de crecimiento microbiano.
Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales
con altas cargas orgánicas. En este caso, la industria de derivados lácteos genera una gran
cantidad de aguas residuales con alta carga orgánica, por lo que la utilización de un reactor
anaerobio parece algo adecuado.
Estos reactores, pueden utilizarse solos o con unidades de pos-tratamiento con el propósito de
producir un efluente final adecuado para su disposición final.
Reactores según el tipo de crecimiento bacteriano
1.- Reactores de lecho fijo.
2.- Reactores de crecimiento libre o suspendido.
En los primeros, la biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un
soporte fijo, mientras que en los segundo dependen de que los microorganismos formen
gránulos o flóculos en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensión deben formar
estructuras que las permitan permanecer en el reactor y no ser lavadas con el efluente, y por lo
tanto, la eficacia del proceso dependerá en gran parte de la capacidad del inóculo
(lodos/residuos) para formarlas.
69
4.2.1 Reactores de lecho fijo
Los tipos de reactores de lecho fijo más comunes son los filtros anaerobios (AF),
los biodiscos (ARBC), los reactores de contacto con soporte (CASBER) y los
reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB).
La forma genérica de un reactor de lecho fijo sería esta:
Figura 33: Reactor genérico de lecho fijo.
Fuente: [Digestor Biomasa. Ministerio de Industria, Turismo y Comercio]
70
4.2.1.1 Filtros Anaerobios (AF)
Estos reactores son , en general, indicados para el tratamiento de aguas
residuales con bajo contenido de sustancias solidas, o para sistemas de
tratamiento que cuenten con unidades de retención de sólidos aguas
arriba, como podría ser una fosa séptica.
El flujo puede llevar tanto un sentido ascendente como descendente. Su
funcionamiento se basa en un manto de material inerte que sirve como
soporte para microorganismos, que van formando una capa de biomasa
adherida. Parte de los microorganismos quedan retenidos en los
intersticios de dicho manto. Así, el flujo de líquido por los intersticios del
manto genera la mezcla y el contacto afluente-biomasa.
Figura 34: Filtro Anaerobio (AF).
Fuente: [Curso Tratamiento Aguas Residuales, 2002]
71
4.2.1.2 Biodiscos (ARBC)
Se trata de una serie de discos instalados de forma paralela, centradas en un eje
giratorio accionado por un motor externo. La biomasa se adhiere a los discos de
material poroso. Estos discos se mantendrán sumergidos y el reactor será cerrado.
En cuanto a la velocidad de rotación, se debe permitir la adherencia de biomasa
en los discos y a la vez el desprendimiento de biomasa retenida en los mismos.
La mezcla ocurre por el propio flujo hidráulico de movimiento de los discos. El
líquido ingresa por un extremo inferior y sale por el extremo opuesto superior.
Tras el reactor, es necesario instalar un sedimentador secundario que se encargue
de realizar la decantación de los lodos que son expulsados por el efluente.
En resumen, en este reactor los microorganismos están unidos a un soporte ligero
formando una película. El soporte, constituido por una serie de discos paralelos,
se encuentra totalmente sumergido y gira lentamente sobre un eje horizontal
dentro del tanque cerrado por el que fluye el medio a tratar.
Este tipo de reactor tiene la siguiente forma:
Figura 35: Biodiscos (ARBC)
Fuente: [Curso Tratamiento Aguas Residuales, 2002]
72
4.2.1.3 Reactores de contacto con soporte (CASBER)
Se trata de un proceso idéntico al de contacto interno, que se trata más adelante
en el punto 4.4.2.2. La diferencia principal es que en este caso se incorpora un
material inerte en el digestor.
La adición de material de soporte es extremadamente limitada en comparación
con la cantidad usada comúnmente en, por ejemplo, los reactores de lecho
fluizado.
Las partículas utilizadas suelen tener un diámetro entre 5 y 25mm, tienen una baja
velocidad de sedimentación y, por lo tanto, pueden mantenerse en suspensión con
un bajo grado de agitación. Un pequeño porcentaje de bacterias es soportada en
estas partículas, que puede ser arenas, plásticos, etc., mientras que un porcentaje
sustancial de la biomasa activa permanece como flóculos en suspensión.
Igual que en el caso de contacto interno, la fase principal del proceso es la
separación líquido/sólido.
En este proceso, los parámetros típicos de operación son:
- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 4 - 25.
- Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 15.
- Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 10.
- Tiempo de retención hidráulico (d): 0,25 - 2.
- Tiempo de arranque (d): 20 - 60.
Este proceso es especialmente adecuado para aguas residuales con alta carga de
residuos fácilmente hidrolizables, como los de la industria alimentaria.
Figura 36: Reactor de contacto con soporte.
Fuente: [biorreactoresbiologicos.blogspot.com]
73
4.2.1.4 Reactores de lecho fluido y lecho expandido (FB/EB)
Técnicamente, un reactor FEB es una estructura cilíndrica, empaquetada hasta un
10% del volumen del reactor con un soporte inerte de pequeño tamaño lo que
permite la acumulación de elevadas concentraciones de biomasa que forman
películas alrededor de dichas partículas. La expansión del lecho tiene lugar
gracias al flujo vertical generado por un elevado grado de recirculación. La
velocidad ascensional es tal que el lecho se expande hasta un punto en el que la
fuerza gravitacional de descenso es igual a la de fricción por arrastre.
Aunque los reactores de lecho fluidizado se han empleado durante mucho tiempo
en diferentes procesos de Ingeniería Química, su mayor aplicación ha sido en
procesos de combustión, donde el contacto gas - sólido es muy importante.
Los reactores de lecho fluidizado están constituidos por un lecho de partículas de
pequeño tamaño (0.2 - 2.0 mm de diámetro), generalmente arena. Éste se halla
empacado dentro de una columna a través de la cual el líquido pasa en forma
ascendente. El líquido fluye con una velocidad suficiente para mantener las
partículas en constante movimiento, pero ajustada para evitar que salga en el
efluente. La expansión del lecho está controlada por la velocidad del flujo y la
cantidad de efluente recirculado. Las partículas del lecho son el soporte de los
microorganismos, suministrando una gran área superficial (3.000m2/m3 para
lecho de arena) al desarrollo de una película con alta concentración de biomasa.
Su grosor está controlado por la capacidad de regeneración del lecho. el tamaño y
densidad del medio. y la velocidad de flujo vertical.
Tras numerosas pruebas, este sistema ha resultado ser una buena alternativa de
tratamiento, tanto para residuos con alta carga orgánica como para residuos
diluidos o aguas residuales domésticas Sin embargo, lograr un adecuado sistema
de distribución de líquido, con los altos costos que esto implica y el bajo
rendimiento enérgico, hace que se prefieran otros sistemas. Hasta el momento una
planta de lecho fluidizado está siendo construida en los Estados Unidos.
Los parámetros típicos de operación de este proceso son:
- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 50.
- Concentración en el interior (g SSV/l): 10 - 40.
- Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.
- Tiempo de retención hidráulico (h): 1 - 10.
- Tiempo de arranque (d): 30 - 70.
La mayor parte de las ventajas atribuibles a este sistema derivan de la elevada
concentración de biomasa activa sobre diminutas partículas de soporte, las
elevadas tasas de recirculación, el máximo contacto entre la biopelícula y el
líquido a tratar, y la minimización de los problemas de la difusión.
74
Una representación de un reactor de lecho expandido o fluidificado puede ser
esta:
.Figura 37: Reactor genérico de lecho fluido y lecho expandido.
Fuente: [Curso Tratamiento Aguas Residuales, 2002]
75
4.2.2 Reactores de crecimiento libre o suspendido.
En este caso, los microorganismos se adhieren y agregan unos a otros formando flóculos o
gránulos que se mantienen suspendidos en el reactor debido a las condiciones hidráulicas.
Los reactores más importantes de este tipo son: de mezcla completa (CSTR), de contacto
(ACP), de flujo ascendente con leche/manto de lodos (UASB), por lotes en serie (ASBR) y
el reactor anaerobio con deflectores (ABR).
4.2.2.1 Reactor de mezcla completa (CSTR)
Se trata del digestor anaerobio más simple que hay. Se trata de un reactor
relativamente simple, calentado, de mezcla completa y sin recirculación de parte
del influente digerido. En este caso, el TRH es también igual al TRS.
Para un tratamiento efectivo del influente, este tipo de reactores requiere largos
TRH, ya que carecen de medios específicos de retención de la biomasa activa.
Con la reducción del TRH en un digestor de mezcla completa, la cantidad de
microorganismos dentro del digestor también disminuye, ya que son lavados con
el efluente. El tiempo de retención hidráulico crítico (TRC) se alcanza cuando las
bacterias son extraídas del reactor a una velocidad mayor a la que éstas se
reproducen. Dado que las bacterias formadoras de metano son de más lento
crecimiento que las bacterias formadoras de ácidos, las primeras son consideradas
como el componente limitante en el proceso de digestión anaerobia. Necesitan
largos TRS (y, por lo tanto, largos TRH), con valores mínimos alrededor de 3 a 5
días a 35 ºC. Para asegurar el funcionamiento del proceso, los TRH suelen variar
entre 10 y 30 días a 35 ºC.
Las características operacionales de este proceso son:
- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 1 - 6.
- Concentración en el interior (g SSV/l): 2 - 5.
- Concentración en el efluente (g SS/l): 25 - 100.
- Tiempo de retención hidráulico (d): 10 - 30.
- Tiempo de arranque (d): 30 - 90.
76
Estos reactores se aplican, básicamente, en el tratamiento de fangos de aguas
residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de
actividades agrícolas o agroindustriales.
Figura 38: Reactor de mezcla completa (CSTR).
Fuente: [biodisol.com]
77
4.2.2.2 Reactor de contacto (ACP)
Se trata de un reactor de mezcla completa y un posterior decantador para separar
sólidos de líquidos, lo que permite reciclado de parte de la biomasa. Fue
desarrollado para tratar aguas residuales con tiempos de retención cortos y edades
de lodos prolongadas. Su uso principal es en aguas residuales industriales. Estas a
diferencia de las urbanas, no contienen generalmente una alta proporción de
microorganismos.
Parte del lodo digerido y sedimentado se recircula al digestor, donde se mezcla
con el influente no digerido. La reinoculación de una biomasa bien aclimatada
permite mantener óptimas condiciones de funcionamiento del proceso.
En este proceso la operación esencial es la separación sólido/líquido, lo cual
ofrece serios problemas, dadas las características de este tipo de lodos, y el
continuo desprendimiento de burbujas de gas que dificulta enormemente el
proceso de separación, por lo que hay que recurrir previamente a sistemas de
desgasificación.
El uso de la técnica de stripping o el enfriamiento del influente digerido en su
camino hacia el clarificador puede disminuir este problema. Una reducción en la
temperatura de 35 a 15 ºC detiene la producción de gas en el clarificador y
favorece la floculación de los sólidos. Esto último también puede conseguirse
mediante el uso de coagulantes, tales como el hidróxido sódico seguido de cloruro
férrico. También se utilizan membranas de ultrafiltración para conseguir una alta
retención celular.
Los parámetros típicos de operación de este proceso son:
- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 2 - 10.
- Concentración en el interior (g SSV/l): 5 - 10.
- Concentración en el efluente (g SS/l): 0,5 - 20.
- Tiempo de retención hidráulico (d): 1 - 5.
- Tiempo de arranque (d): 20 - 60.
En el Reactor de contacto (ACP), existen unas ventajas y desventajas:
Ventajas:
- Bajos costos de inversión y operación.
- Producción de una fuente de energía que puede servir calentar el agua residual
hasta la temperatura de operación.
- Necesidad de espacio relativamente pequeño para las instalaciones debido a la
aplicación de altas velocidades de carga orgánica.
- Baja producción de lodo en exceso.
78
Desventajas:
Algunas posibles desventajas de la tecnología del reactor de contacto que en
ocasiones pueden conducir a la elección de otro tipo de tratamiento, son:
- Insuficiente generación de acidez y metano cuando se depuran aguas residuales
muy diluidas.
-Cinética lenta a bajas temperaturas.
Por lo tanto, la recomendación sobre el uso de este reactor es meterlo con carga
orgánica y carga hidráulica relativamente constante, para evitar problemas
operacionales.
79
4.2.2.3 Reactor de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB)
La innovación técnica de este tipo de reactores reside en un dispositivo situado en
la parte superior del reactor (separador de tres fases- GSS) que permite separar
internamente la biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue
acumular grandes cantidades de biomasa - muy activa - que adopta la estructura
de gránulos compactos con una elevada capacidad de sedimentación. Es el más
extendido a escala industrial.
La abreviación U. A. S. B. se define como Upflow Anaerobic Sludge Blanquet o
Reactor Anaerobio de Manto de Lodos de Flujo Ascendente. Esta tecnología
proveniente de Bélgica y Holanda, es aplicada especialmente al tratamiento de
aguas residuales con alto contenido de materia orgánica.
El diseño de un reactor UASB consiste en una zona de reacción en la parte
inferior, en la que se acumula la biomasa, la de mejor sedimentabilidad en el
fondo y encima los lodos más ligeros.
La operación de los reactores UASB se basa en la actividad autorregulada de
diferentes grupos de bacterias que degradan la materia orgánica y se desarrollan
en forma interactiva, formando un lodo o barro biológicamente activo en el
reactor.
Dichos grupos bacterianos establecen entre sí relaciones simbióticas de alta
eficiencia metabólica bajo la forma de gránulos cuya densidad les permite
sedimentar en el digestor. La biomasa permanece en el reactor sin necesidad de
soporte adicional. Una de las ventajas del tratamiento anaeróbico sobre el
tratamiento aeróbico es la producción de gas metano como fuente energética y la
baja producción de lodo biológico.
El tratamiento de aguas residuales con reactores tipo U.A.S.B. es el más
difundido en América Latina desde 1988. Estos reactores reemplazaron de cierta
forma en las plantas de tratamiento aerobio a los sedimentadores primarios,
sedimentadores secundarios, biodigestores para el tratamiento de lodos y gran
parte de los sistemas de lodos activados, pues logran eficiencias de remoción
comprendidas entre el 60 y 80% de la DQO y la DBO en función de la
concentración inicial del agua residual.
Los U.A.S.B. funcionan como tratamiento primario, tratamiento secundario, pero
no llegan a eficiencias de remoción superiores al 82%.Para lograrlo, deben ser
complementados por sistemas aerobios tradicionales como lodos activados, filtros
percoladores o lagunas.
El reactor UASB está siendo experimentado con éxito en el tratamiento de aguas
residuales muy diversas de procesos de la industria de alimentos, industriales,
urbanas y lixiviados, aunque inicialmente se desarrolló para aguas residuales de
tipos principalmente solubles y de concentración media. El tratamiento anaerobio
se recomienda para el lixiviado con una relación de DBO/DQO entre 0,7 y 0,3
(residuos parcialmente estabilizados).
80
El afluente es alimentado por el fondo del reactor, donde se pone en contacto con
el lodo; la degradación anaerobia de los sustratos orgánicos ocurre en el lecho del
lodo, y allí se produce el biogás, o sea, tanto la acidificación como la
metanogénesis ocurren en el mismo reactor.
El flujo combinado ascendente de las aguas residuales, puede hacer que algunos
de los sólidos del lodo lleguen a la parte superior del reactor, donde un separador
gas-sólido-líquido, impide la salida de los sólidos del reactor separándolos del gas
producido y del efluente líquido. El biogás es captado bajo una campana y
conducido hacia la superficie del reactor. Algunos sólidos son arrastrados con el
agua hacia el sedimentador, situado encima de la campana de gas, donde los
sólidos sedimentan y retornan al manto de lodos, el efluente cae a un canal
situado en la parte superior del reactor, donde es descargado. Las grandes
concentraciones de biomasa con elevada actividad que se consiguen, permiten el
funcionamiento a alta carga orgánica con buenas eficacias de eliminación.
La biomasa activa puede estar en forma de gránulos compactos o en forma de
lodos floculentos con buena sedimentabilidad lo cual convierte en su
característica principal la retención de la biomasa sin necesidad de soporte.
Figura 39: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB.
Fuente: [tecnologiaslimpias.org]
81
Otras características son:
- Mayor superficie para la adhesión de Microorganismos.
- Mayor concentración de bacterias que en otros sistemas, lo cual permite operar
con velocidades de carga orgánica más elevadas.
- Minimización de problemas de colmatación por sólidos.
- Elevada velocidad de transferencia de materia, que facilita el tratamiento de
aguas con un alto contenido de materia orgánica.
- Pérdida de presión en el lecho moderada.
- Concentración de lodos volátiles en la fuente moderada.
Ventajas:
- Baja producción de lodos (10% en relación al tratamiento aerobio).
- Bajos requerimientos nutricionales.
- El proceso puede manejarse con altas cargas intermitentes. Los lodos se
conservan (sin alimentación) por largos períodos de tiempo. Producción de
metano aprovechable.
- Bajos costos de operación al no requerir oxígeno.
- Identificación y medición de productos intermedios que proporcionan
parámetros de control adicionales.
- Costo de inversión bajo.
- La fermentación ácida y metánica, así como la sedimentación tienen lugar en el
mismo tanque, por lo cual las plantas son muy compactas.
- Como no hay relleno, se reduce la posibilidad de cortos circuitos,
obstrucciones y puntos muertos.
- El consumo de potencia es bajo, puesto que el sistema no requiere ninguna
agitación mecánica.
- La retención de biomasa es muy buena y por eso no es necesario reciclar el
lodo.
82
Desventajas:
- Las bacterias anaerobias (particularmente las metanogénicas) se inhiben por un
gran número de compuestos.
- El arranque del proceso es lento.
- Su aplicación debe ser monitoreada.
- Puede requerir un pulimiento posterior de su efluente.
- Generación de malos olores si no es eficazmente controlado.
Las características operacionales de este proceso son:
- Densidad de carga orgánica (Kg DQO/m3/d): 5 - 30.
- Tiempo de retención hidráulico (d): 0,2 - 2.
- Concentración media en el interior (g SSV/l): 20 - 40.
- Concentración en el efluente (g SS/l): 0 - 5.
- Tiempo de arranque (d): 30 - 60.
- Velocidad vertical ascendente (m/h): 0,6 - 0,9.
Las elevadas cargas orgánicas que admite este tipo de reactores hace que se hayan
empleado de manera efectiva en el tratamiento de aguas residuales procedentes de
la industria alimentaria, donde la carga de residuos orgánicos es muy alta.
83
Explicación gráfica
En la zona superior, hay un
separador de gases-sólido-líquido,
que ayuda a retener el lodo dentro
del reactor.
Sobre el separador se ubica el
sedimentador donde el lodo
sedimenta y vuelve al
compartimento de digestión.
El sistema es automezclado por el
movimiento ascendente de las
burbujas de gas y del flujo de
líquido a través del reactor.
En general, el tiempo de retención
celular es de más de 30 días, por lo
que el lodo excedente descartado
ya se encontrará estabilizado.
Figura 40: Esquema básico de un reactor de flujo ascendente UASB.
Fuente: [Curso Tratamiento Aguas Residuales, 2002]
84
4.2.2.4 Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR)
Los reactores ASBR (anaerobic sequencing batch reactor) como su nombre lo
indica, funcionan mediante lotes secuenciales y han sido estudiados como una
alternativa de tratamiento a los sistemas continuos debido a la versatilidad de su
operación. La operación típica de un reactor ASBR, está compuesta por cuatro
etapas:
1.- Alimentación.
2.- Reacción.
3.- Sedimentación.
4.- Descarga.
Figura 41: Etapas de operación de un reactor tipo ASBR.
Fuente: [biorreactoresbiologicos.blogspot.com.es]
Durante la alimentación, el agua residual a tratar con presencia de materia
orgánica, es introducida al reactor en un periodo de tiempo relativamente corto.
En la fase de reacción hay una variación en la concentración de los componentes
constituyentes, mostrando picos de concentración de los compuestos intermedios
y producción de biogás. Este paso es el más importante y puede corresponder
hasta un 80% o más de la duración total del ciclo.
La fase de sedimentación corresponde a la separación sólido-líquido la que es
llevada a cabo en el interior del reactor, por lo que no se requiere de una unidad
de separación adicional, dado que la utilización de biomasa granular en el reactor
favorece el proceso de sedimentación. Cabe destacar, que las características de
sedimentación de la biomasa utilizada son muy importantes para el correcto
desarrollo de ésta etapa para evitar el lavado de la biomasa durante la descarga.
Debido a las características de las diferentes etapas involucradas en la operación
de reactores de tipo ASBR, es importante mencionar algunos aspectos
fundamentales para un adecuado funcionamiento. Uno de ellos corresponde a las
distintas estrategias de alimentación que pueden ser implementadas de acuerdo a
los requerimientos del residuo a tratar. Se han implementado comúnmente dos
estrategias que corresponden a alimentación por lote y por lote alimentado, ésta
última implementada principalmente cuando se trata algún compuesto que
85
presenta características inhibitorias a los microorganismos encargados de la
degradación.
Otro aspecto operacional que es importante destacar corresponde al mecanismo
de agitación. La importancia de la agitación se debe a que proporciona un
adecuado contacto entre el sustrato y los microorganismos en la fase de reacción.
Si bien, esto es un factor importante, una fuerte y excesiva agitación, puede
causar daños en la biomasa granular disminuyendo la eficiencia de separación.
Los caminos para producir este movimiento, en el caso se reactores de tipo
ASBR, corresponde a la recirculación del flujo de biogás producido en el reactor
(no aplicables para el tratamiento de aguas de baja carga por el poco biogás
producido), recirculación de líquido o sistemas mecánicos de recirculación.
El tiempo de residencia hidráulico equivalente es otro factor a considerar y es
proporcional a la duración de cada ciclo. Éste depende, a su vez, de las
características del agua residual y de la carga orgánica a eliminar, entre otros
aspectos.
Aplicaciones de reactores ASBR:
Los reactores de tipo ASBR han presentado una gran versatilidad para el
tratamiento de distintos tipos de aguas residuales, las cuales pueden contener una
variedad de compuestos con diferentes características. Algunos de los reportes
registrados a escala laboratorio de diferentes aplicaciones de reactores ASBR, se
presentan a continuación:
-Tratamiento aguas residuales sintéticas con fenol en reactores ASBR.
- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la automotriz en un reactor
ASBR.
- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria cervecera,
utilizando biomasa granular.
- Tratamiento de lodos porcinos diluidos.
- Tratamiento de aguas residuales porcinas a temperaturas psicrófilas (20°C).
- Tratamiento de lixiviado de vertedero.
Un interesante estudio en este tipo de reactores ASBR de acuerdo a la flexibilidad
de operación y a las ventajas cinéticas que presenta, corresponde a evaluar su
comportamiento no solo desde el punto de vista operacional, sino que también
poblacional, ante la presencia de diferentes efectores negativos que se puedan
presentar durante su funcionamiento. Este es el caso de tratamientos de
compuestos de difícil degradación presentes en diferentes tipos de aguas
residuales, que en la mayoría de los casos, son compuestos que generen ciertas
características inhibitorias sobre los microorganismos encargados de la
degradación de la materia orgánica. Otro efector negativo que puede afectar su
comportamiento, es a la variación de parámetros operacionales como es el caso de
la temperatura.
86
4.2.2.5 Reactor anaerobio con deflectores (ABR)
Conceptualmente se podría considerar como una serie de reactores UASB
conectados en serie. Está formado por un único tanque con una serie de
deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del agua entre ellos.
Figura 42: Esquema de un reactor anaerobio con deflectores (ABR).
Fuente: [alianzaporelagua.org]
La mayoría de los sólidos de sedimentación son eliminados en la cámara de
sedimentación en el inicio del ABR, que normalmente representa el 50% del
volumen total. Las cámaras de flujo ascendente proporcionan eliminación
adicional y digestión de la materia orgánica: la DBO puede reducirse hasta un
90%, lo cual es muy superior a la fosa séptica convencional. Al irse acumulando
los lodos, se requiere el desazolve cada 2 o 3 años. Los parámetros críticos de
diseño incluyen un tiempo de retención hidráulica (TRH) entre 48 y 72 horas,
velocidad de flujo ascendente de las aguas residuales de menos de 0.6 m/h y el
número de cámaras de flujo ascendente (2 a 3).
Ventajas:
- Resistente a cargas de choque orgánicas e hidráulicas.
- No requiere energía eléctrica.
- Se pueden manejar las aguas grises simultáneamente.
- Puede ser construido y reparado con materiales disponibles localmente.
- Larga vida útil.
- No hay problemas con moscas ni olores si es usada correctamente.
- Alta reducción de materiales orgánicos.
- Costos de capital moderados, costos de operación moderados dependiendo del
vaciado; puede ser de bajo costo dependiendo del número de usuarios.
87
Desventajas:
- Requiere una fuente constante de agua.
- El efluente requiere tratamiento secundario y/o descarga adecuada.
- Baja eliminación de patógenos.
- Requiere diseño y construcción por expertos.
- Se requiere pre tratamiento para prevenir las obstrucciones.
Esta tecnología es fácilmente adaptable y se puede aplicar a nivel vivienda o para
un vecindario pequeño. Se puede diseñar un ABR para una sola vivienda o para
un grupo de viviendas que usan una considerable cantidad de agua para lavado de
ropa, baño y retretes de tanque. Es más adecuado si el uso de agua y el suministro
de aguas residuales son relativamente constantes.
Esta tecnología es también apropiada para áreas donde el terreno puede estar
limitado ya que el tanque es instalado bajo tierra y requiere poca área. No se debe
instalar donde haya un alto nivel freático ya que la infiltración puede afectar la
eficiencia del tratamiento y contaminar los acuíferos.
Los flujos típicos de entrada varían entre 2,000 a 200,000 L/día. El ABR no opera
a toda su capacidad por varios meses después de la instalación debido al largo
tiempo de arranque requerido por la digestión anaeróbica de los lodos. Por lo
tanto, la tecnología ABR no se debe usar cuando la necesidad de un sistema de
tratamiento sea inmediata. Para ayudar al inicio más rápido del ABR, se le puede
‘plantar’ lodo activado de manera que bacterias activas puedan empezar a trabajar
y multiplicarse inmediatamente. Como el ABR se debe desazolvar regularmente,
un camión de vacío debe tener acceso a la ubicación. Los ABR pueden ser
instalados en todo tipo de clima aunque la eficiencia se reduce en climas más
fríos.
Aunque la eliminación de patógenos no es alta, el ABR está contenido, así que los
usuarios no entran en contacto con las aguas residuales o con patógenos que
provocan enfermedades. El efluente y los lodos se deben manejar con cuidado ya
que contienen altos niveles de organismos patógenos. Para prevenir la liberación
de gases potencialmente dañinos, el tanque debe tener ventilación.
Los tanques ABR deben ser revisados para asegurar que son impermeables y se
deben monitorear los niveles de espuma y lodos para asegurar el buen
funcionamiento. Dado lo delicado de la ecología, se debe tener cuidado de no
descargar productos químicos en el ABR. Los lodos deben ser sacados
anualmente usando un camión de vacío para asegurar el buen funcionamiento del
ABR.
88
5 CAPÍTULO V: Comparativa de procesos y reactores. Elección reactor.
5.1 Digestión Anaerobia
5.1.1 Tratamiento anaerobio frente a tratamiento aerobio
Los reactores anaerobios pueden ser utilizados para tratar efluentes domésticos o industriales con
altas cargas orgánicas. No se puede olvidar que las aguas residuales provenientes de la industria
alimentaria presentan una carga orgánica muy alta, por lo que parece que este tipo de tratamiento
será el más adecuado. Además cabe destacar que pueden utilizarse solos pero también con unidades
de post-tratamiento para producir un efluente final adecuado para su disposición final, algo que ya
se vio anteriormente.
A pesar de que el tratamiento anaerobio parece que es el más ventajoso para tratar este tipo de
residuos, se puede observar en la siguiente tabla sus ventajas frente a sus inconvenientes:
VENTAJAS INCONVENIENTES
Bajo consumo de energía; no se requiere O2 Largo periodo de arranque si no se utiliza inóculo
(4-6 meses)
Posibilidad de recuperar y utilizar CH4 como
combustible
Sensibilidad a variación de condiciones
ambientales
El lodo obtenido es un lodo ya estabilizado Menor eficiencia en remoción de MO
(aprox. 80%)
Tabla 16: Ventajas e Inconvenientes del tratamiento anaerobio.
Fuente: [Elaboración propia]
A pesar de encontrarnos una serie de inconvenientes, estos pueden ser minimizados con una serie de
prevenciones, lo que resulta claro es que las ventajas son lo suficientemente determinantes como
para que resulte lógico la elección de un reactor de este tipo.
El hecho de que la energía necesaria para la operación de los sistemas anaerobios es mínima
comparada con los sistemas convencionales de tratamiento aerobio es una razón más que
determinante para elegir este tipo de digestión. Pero sin duda, la capacidad de aprovechar el gas
metano generado para producir energía en la planta de tratamiento es también una gran ventaja.
Además esta instalación ocupa un espacio relativamente pequeño debido a la aplicación de altas
velocidades de carga orgánica.
89
Además de observar las ventajas que presenta este tipo de digestión, es interesante observar una
comparación con los sistemas de tratamiento aerobios para justificar aun más la elección. Esta
comparativa se ve plasmada en la siguiente tabla comparativa:
DESCRIPCIÓN SISTEMA ANAEROBIO SISTEMA AEROBIO
Área requerida Pequeña Grande
Localización de las unidades Superficiales o enterradas Superficiales
Eficiencia de remoción de la
DBO5 Mayor del 90% Mayor del 90%
Producción y manejo de lodos Anual Diario
Tratamiento posterior para
estabilizar los lodos NO SI
Presencia permanente de un
operador especializado NO SI
Incluyen equipos electro-
mecánicos para el tratamiento
del agua
NO SI
Costes por m3 de agua tratada < 0.1€/m3 > 2€/m3
Tabla 17: Comparativa sistema anaerobio vs sistema aerobio.
Fuente: [Elaboración propia]
En conclusión, tras haber analizado a fondo los tipos de tratamiento disponibles, sin duda el sistema
anaerobio será el utilizado para el tratado de aguas residuales procedentes de la industria láctea.
90
5.1.2 Funcionamiento del tratamiento anaerobio
Previamente se explicó de manera extensa el tratamiento anaerobio de aguas residuales. Ahora se
explicará de forma más resumida con el propósito de introducir la elección del tipo de reactor para
el tratamiento de las aguas residuales en la industria láctea.
El tratamiento anaerobio es el tratamiento biológico del agua residual en ausencia de aire u oxígeno.
Se aplica generalmente en la eliminación de la contaminación orgánica de las aguas residuales.
En el proceso de degradación anaerobia, el propósito es transformar los contaminantes orgánicos
en:
CO2 + CH4
Materia degradada en disolución
Nuevo microorganismos
Microorganismos
Anaerobios
Figura 43: Proceso de degradación anaerobia.
Fuente: [Elaboración propia]
La digestión anaerobia es el proceso fermentativo que ocurre en el tratamiento anaerobio de las
aguas residuales. El proceso se caracteriza por la conversión de materia orgánica a metano y de
CO2, en ausencia de oxígeno y con la interacción de diferentes poblaciones bacterianas.
En el campo del tratamiento de las aguas residuales, la contaminación orgánica es evaluada a través
de la DQO (demanda química de oxígeno), la cual mide básicamente la concentración de materia
orgánica. La forma de apreciar lo que ocurre con la materia orgánica en el tratamiento anaerobio de
aguas residuales, es comparando su balance de DQO con el del tratamiento aerobio. Así, el balance
quedaría de este modo:
10%
90%
Figura 44: Balance Anaerobio de la materia orgánica.
Fuente: [Elaboración propia]
Contaminantes
Orgánicos
- CO2 + CH4
- Materia degradada en
disolución
- Nuevos microorganismos
DQO CH4
LODO
91
La digestión anaerobia es un proceso de transformación y no de destrucción de la materia orgánica,
como no hay presencia de un oxidante en el proceso, la capacidad de transferencia de electrones de
la materia orgánica permanece intacta en el metano producido. En vista de que no hay oxidación, se
tiene que la DQO teórica del metano equivale a la mayor parte de la DQO de la materia orgánica
digerida (90 a 97%), una mínima parte de la DQO es convertida en lodo (3 a 10%). En las
reacciones bioquímicas que ocurren en la digestión anaerobia, solo una pequeña parte de la energía
libre es liberada, mientras que la mayor parte de esa energía permanece como energía química en el
metano producido.
La degradación anaerobia de la materia orgánica requiere la intervención de diversos grupos de
bacterias facultativas y anaerobias estrictas, las cuales utilizan en forma secuencial los productos
metabólicos generados por cada grupo. La digestión anaerobia de la materia orgánica involucra tres
grandes grupos tróficos y cuatro pasos de transformación:
1. Hidrólisis
Grupo I: bacterias hidrolíticas
2. Acidogénesis
Grupo I: bacterias fermentativas
3. Acetogénesis
Grupo II: bacterias acetogénicas
4. Metanogénesis
Grupo III: bacterias metanogénicas
El proceso se inicia con la hidrólisis de polisacáridos, proteínas y lípidos por la acción de enzimas
extracelulares producidas por las bacterias del Grupo I. Los productos de esta reacción son
moléculas de bajo peso molecular como los azúcares, los aminoácidos, los ácidos grasos y los
alcoholes, los cuales son transportados a través de la membrana celular; posteriormente son
fermentados a ácidos grasos con bajo número de carbonos como los ácidos acético, fórmico,
propiónico y butírico, así compuestos reducidos como el etanol, además de H2 y CO2. Los
productos de fermentación son convertidos a acetato, hidrógeno y dióxido de carbono por la acción
de las bacterias del Grupo II, las cuales son conocidas como “bacterias acetogénicas productoras de
hidrógeno”. Finalmente las bacterias del Grupo III o metanogénicas convierten el acetato a metano
y CO2, o reducen el CO2 a metano (ver Figura 45). Estas transformaciones involucran dos grupos
metanogénicos que son los encargados de llevar a cabo las transformaciones mencionadas
anteriormente: acetotróficas e hidrogenotróficas. En menor proporción, compuestos como el
metanol, las metilaminas y el ácido fórmico pueden también ser usados como sustratos del grupo
metanogénico.
92
Figura 45: Etapas de la digestión anaerobia.
Fuente: [Madigan, 1997, van Haandel, 1994]
Deben ser tenidos en cuenta dos puntos importantes, con respecto a los diferentes procesos que
ocurren durante la digestión anaerobia de la materia orgánica:
1. Según la Figura 45 se observa que solamente cerca del 30% de la materia orgánica afluente es
convertida a metano por la vía hidrogenofílica, por lo tanto una condición necesaria para obtener
una óptima remoción de la materia orgánica en un sistema anaerobio es que la metanogénesis
acetoclástica se desarrolle eficientemente.
2. La fermentación ácida tiende a bajar el pH, debido a la producción de ácidos grasos volátiles
(AGVs) y otros productos intermediarios, mientras que la metanogénesis solo se desarrolla cuando
el pH esta cercano al neutro. Por lo tanto, si por alguna razón la tasa de remoción de AGVs a través
de la metanogénesis no acompaña a la tasa de producción de AGVs, puede surgir una situación de
inestabilidad: baja significativamente el pH del sistema, causando la inhibición de las bacterias
metanogénicas. Esta “Acidificación” del sistema es una de las principales causas de falla
operacional en los reactores anaerobios. Lo anterior puede ser evitado cuando se garantiza un
equilibrio entre la fermentación ácida y la fermentación metanogénica, a través de mantener una
alta capacidad metanogénica y una buena capacidad buffer en el sistema .
93
5.2 Elección del tipo de reactor
5.2.1 Características del efluente
Tras el estudio completo de los tipos de reactores más comunes e utilizados en la industria se ha de
elegir cuál de estos reactores es el más adecuado para tratar los residuos generados en la industria
láctea.
De la PARTE I concluimos que los residuos generados por la industria láctea son residuos con una
alta carga orgánica, algo muy importante a la hora de elegir el tipo de reactor. Estas aguas
residuales tendrán una composición de este tipo:
ppm
CONSTITUYENTE RANGO MEDIA
DBO5 450-4800 1885
DQO5 1500-2500 2100
Sólidos en Suspensión 24-5700 1500
Sólidos Totales 135-8500 2400
pH 5.3-9.4
Grasa 35-500 209
Proteínas 210-560 350
Carbohidratos 252-931 522
Fósforo 11-160 50
Tabla 18: Composición de las aguas residuales de la industria láctea.
Fuente: [Elaboración propia]
En cuanto a la DQO, los datos en mg/l serían del orden de:
DQO5 : 6.000 mg/l
Esto supone un marcado carácter orgánico, algo que ya se vio anteriormente. Se ha estimado que el
90% de la DQO de las aguas residuales de una industria láctea es atribuible a componentes de la
leche y sólo el 10% a sustancias ajenas a la misma. En la composición de la leche además de agua
se encuentran grasas, proteínas (tanto en solución como en suspensión), azúcares y sales minerales.
Los productos lácteos además de los componentes de la leche pueden contener azúcar, sal,
colorantes, estabilizantes, etc., dependiendo de la naturaleza y tipo de producto y de la tecnología de
producción empleada.
94
Además estas aguas residuales presentan las siguientes características:
Alta biodegradabilidad.
Presencia de aceites y grasas.
Altas concentraciones de fósforo y nitratos, principalmente debidos a los productos de
limpieza y desinfección.
Presencia de sólidos en suspensión, principalmente en elaboración de quesos .
Conductividad elevada (especialmente en las empresas productoras de queso debido al
vertido de cloruro sódico procedente del salado del queso) .
Valores puntuales de pH extremos, debidos a las operaciones de limpieza. Uso de ácidos
y bases en las limpiezas CIP.
Estas características de las aguas residuales son muy importantes puesto que para escoger el
tratamiento más adecuado y evaluar la producción de sólidos biológicos, metano, etc, se deben
conocer las características del líquido a tratar: DBO, DQO, pH, alcalinidad, contenido de nutrientes,
temperatura, presencia de compuestos tóxicos...
De esta manera los compuestos presentes en este agua podrán ser clasificados como de degradación
fácil, difícil o no degradables.
La DQO total afluente que comienza el proceso de degradación puede ser divida en dos:
DOQbd: Se trata de la porción biodegradable. Puede ser degradada biológicamente en
condiciones anaerobias.
DQOrec: Se trata de aquella porción que no puede ser degradada por las bacterias. (DQO
recalcitrante)
De este modo, la materia orgánica biodegradable será consumida por los microorganismos
fermentativos, siendo convertida en células(DQOcel) y ácidos grasos volátiles (DQOAGV).
Finalmente, la mayor parte de estos ácidos grasos volátiles serán transformados en CH4.
Figura 46: Balance de DQO en el proceso de degradación.
Fuente: [Curso tratamiento aguas residuales 2002]
95
5.2.2 Comparativa tipo de reactores anaerobios
En la PARTE II se realizó un extenso estudio a cerca de los tipos de reactores anaerobios presentes
en la industria. Una vez calculado la composición de las aguas residuales a tratar ya es posible
realizar una valoración cualitativa para elegir el reactor que más se ajuste a estas necesidades.
En primer lugar, los dos grandes grupos de reactores anaerobios en base al tipo de crecimiento
microbiano son:
Reactores de lecho fijo
Reactores de crecimiento libre o suspendido
En los primeros, la biomasa está constituida por bacterias formando una película sobre un soporte
fijo, mientras que en los segundo dependen de que los microorganismos formen gránulos o flóculos
en el reactor. Las bacterias que crecen en suspensión deben formar estructuras que las permitan
permanecer en el reactor y no ser lavadas con el efluente, y por lo tanto, la eficacia del proceso
dependerá en gran parte de la capacidad del inóculo (lodos/residuos) para formarlas.
Los reactores de lecho fijo consisten en uno o más tubos empacados con partículas de catalizador,
que operan en posición vertical. Las partículas catalíticas pueden variar de tamaño y forma:
granulares, cilíndricas, esféricas, etc. En algunos casos, especialmente con catalizadores metálicos
como el platino, no se emplean partículas de metal, sino que éste se presenta en forma de mallas de
alambre. El lecho está constituido por un conjunto de capas de este material. Estas mallas catalíticas
se emplean en procesos comerciales como por ejemplo para la oxidación de amoniaco y para la
oxidación del acetaldehídico a ácido acético.
Los reactores de crecimiento suspendido resultan ser mucho más económicos. Este ahorro se debe
al hecho de que los microorganismo se adhieren y agregan unos a otros formando flocs o gránulos
que se mantienen suspendidos en el reactor debido a las condiciones hidráulicas. Mientras que
como ya se explico anteriormente, en los reactores de crecimiento adherido o fijo, las bacterias se
adhieren a un medio soporte formado por material inerte como arena, piedra o plástico.
Por lo tanto al favorecer el desarrollo y retención de gran cantidad de microorganismos en el
reactor, se logran altas velocidades de tratamiento, lo que permite aplicar altas cargas orgánicas en
tanques de volumen reducido. Este, al ser uno de nuestros objetivos principales por poder optimizar
tiempo y volumen, será por tanto el tipo de reactor más adecuado para nuestro tratamiento de aguas
residuales.
96
Debido a su capacidad para tratar aguas residuales con alta carga orgánica, a su coste reducido en
comparación con el resto de reactores y a su velocidad de tratamiento, el reactor más adecuado será
un reactor de crecimiento libre o suspendido. De todos modos, existen diversos tipos de reactores de
este tipo, los cinco más comunes son:
Reactor de mezcla completa (CSTR): Es el digestor anaerobio más simple. Viene a ser
un cultivo microbiano continuo, con una entrada continua de medio y una salida
continua de residuos (agua tratada) y exceso de biomasa.
Reactor de contacto (ACP): Se trata de un reactor de mezcla completa y un posterior
decantador para separar sólidos de líquidos, lo que permite reciclado de parte de la
biomasa.
Reactor anaerobio de flujo ascendente con lecho/manto de lodos (UASB): La
innovación técnica de este tipo de reactores reside en un dispositivo situado en la parte
superior del reactor (separador de tres fases- GSS) que permite separar internamente la
biomasa, el efluente tratado y el biogás. Con ello se consigue acumular grandes
cantidades de biomasa - muy activa - que adopta la estructura de gránulos compactos
con una elevada capacidad de sedimentación. Es el más extendido a escala industrial.
Reactor anaerobio por lotes en serie (ASBR): Tanto la alimentación como la
decantación tienen lugar por lotes en series discontinuas en un único reactor. La
secuencia cíclica incluye cuatro etapas: alimentación, reacción, sedimentación y vaciado.
Reactor anaerobio con deflectores (ABR): Conceptualmente se podría considerar
como una serie de reactores UASB conectados en serie. Está formado por un único
tanque con una serie de deflectores o paneles internos verticales que fuerzan el paso del
agua entre ellos.
97
A partir del estudio de cada uno de los reactores por separado se realizará una comparación para
decidir cuál de ellos es el más adecuado para el tratamiento de aguas residuales en la industria
láctea. En la siguiente tabla se realiza una comparación de las principales características
operacionales:
TIPO DE REACTOR DE CRECIMIENTO SUSPENDIDO
CARACTERÍSTICAS OPERACIONALES
CSTR ACP UASB ASBR ABR
DQO (Kg DQO/m3/d) 1-6 2-10 5-30 - -
Concentración en el interior (g SSV/L)
2-5 5-10 20-40 - -
Concentración en el efluente (g SS/L)
25-100 0,5-20 0-5 - -
TRH (días) 10-30 1-5 0,2-2 - 2-3
Tiempo de Arranque (días) 30-90 20-60 30-60 - -
Tabla 19: Comparativa de las características operacionales de los distintos tipos de reactores.
Fuente: [Elaboración propia]
Esta tabla muestra que el reactor más completo en cuanto a DQO, concentración y TRH es sin lugar
a dudas el UASB. Se realizará una comparación uno a uno para comprobar que la elección del
UASB es acertada.
5.2.2.1 Comparativa UASB vs CSTR
El reactor de anaerobio de flujo ascendente con lecho de lodos, UASB, parece ser mucho más
completo que el CSTR para las necesidades que se pretenden cubrir al tener una DQO mucho más
elevada, de hasta 5 veces más. En el caso a tratar, aguas residuales en la industria láctea, los
efluentes líquidos poseen una altísima carga orgánica, por lo que necesitarán un reactor anaerobio
capaz de digerir esta alta carga en el menos tiempo posible. Es decir, bajo TRH y alta DQO, algo
que proporciona el reactor UASB con mucha más garantía que el CSTR.
Cabe destacar, que el reactor CSTR es el digestor anaerobio más simple y por esa razón su DQO es
limitada y su TRH muy alto. Este TRH es largo puesto que carece de medios específicos de
retención de biomasa.
Este tipo de reactores CSTR son utilizados normalmente para el tratamiento de fangos de aguas
residuales urbanas, y de influentes con estiércoles y aquellos provenientes de actividades agrícolas o
agroindustriales.
98
Comparativa UASB vs ACP
Del mismo modo que en el caso anterior, el reactor UASB posee unas características operacionales
mucho más adecuadas que el ACP para el tratamiento de aguas residuales con alta carga orgánica.
A pesar de que el reactor ACP admite una DQO mayor que el CSTR, sigue siendo un valor menor
que la que admite el UASB, y por tanto se trata de un reactor menos adecuado. En cuanto al tiempo
de retención hidráulico, son valores cercanos en ambos casos.
Como ventajas, este tipo de reactores presentan bajos costes de inversión y operación aunque no
mucho menores que los que puede presentar un UASB, el resto de ventajas, como pueden ser el
hecho de producir energía, necesidad de poco espacio o baja producción de lodos son comunes a los
reactores UASB. Por estos motivos no parece existir razón alguna para utilizar este digestor.
En cuanto a sus inconvenientes cabría destacar, la insuficiente generación de acidez y metano
cuando se depuran aguas residuales muy diluidas así como su velocidad lenta a temperaturas bajas.
5.2.2.2 Comparativa UASB vs ASBR
Los reactores del tipo ASBR han presentado una gran versatilidad para el tratamiento de distintas
aguas residuales, las cuales pueden contener gran variedad de compuestos. En el caso particular de
la industria de lácteos, las aguas residuales a tratar, contienen un 90% de contaminantes
provenientes de la leche por lo que no contendrán diversidad de compuestos, solamente una gran
carga orgánica. Debido a esto, no es necesario un reactor tan versátil sino uno que se ajuste a las
necesidades de los efluentes.
Este tipo de reactores son comunes a la hora de tratar:
-Tratamiento aguas residuales sintéticas con fenol en reactores ASBR.
- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la automotriz en un reactor ASBR.
- Tratamiento de aguas residuales provenientes de la industria cervecera, utilizando biomasa
granular.
- Tratamiento de lodos porcinos diluidos.
- Tratamiento de aguas residuales porcinas a temperaturas psicrófilas (20°C).
- Tratamiento de lixiviado de vertedero.
Una vez más, el reactor UASB parece ser mejor opción para el tratamiento de las aguas residuales
analizadas previamente.
99
5.2.2.3 UASB vs ABR
Este tipo de reactores son fácilmente adaptables, se pueden aplicar a nivel vivienda o para un
vecindario pequeño. Es adecuado si el uso de agua y el suministro de aguas residuales son
relativamente constantes. Realmente se trata de un reactor muy completo y versátil, pero presenta
una serie de inconvenientes que provocará la elección definitiva del reactor UASB como el más
adecuado para el tratamiento de las aguas residuales de la industria láctea.
El principal inconveniente de este tipo de reactor es la necesidad de una fuente constante de agua,
alcanzando niveles de consumo de 200.000 litros/día, además, el efluente requiere de un tratamiento
secundario y/o descarga adecuada lo que supone un coste adicional así como una mayor lentitud.
Además de un tratamiento posterior también precisa un tratamiento previo para prevenir
obstrucciones. Por todo esto, su diseño y construcción ha de ser realizado por expertos. Esta serie de
inconvenientes disparan sus costes y no logra superar las prestaciones del reactor UASB.
5.2.3 Conclusión
Tras las comparaciones entre los diferentes tipos de reactores existentes en el mercado, el reactor
UASB es el digestor más adecuado para el tratamiento de aguas residuales de la industria láctea.
Debido a su capacidad para tratar aguas con alto contenido orgánico, a su bajo tiempo de retención
hidráulica, a su bajo coste y a su bajo consumo de potencia entre otras ventajas, parece ser el
digestor adecuado para tratar los efluentes citados previamente.
100
6 CAPÍTULO VI: Reactor UASB. Diseño y Cálculos.
6.1 Funcionamiento completo de un reactor UASB
El Reactor Anaeróbico de Flujo Ascendente con Manto de Lodos (UASB) es un proceso de tanque
simple. Las aguas residuales entran en el reactor por el fondo, y fluyen hacia arriba. Una capa de
lodo suspendida filtra las aguas residuales, tratándolas al ir atravesándola.
La capa de lodos está formada por gránulos (pequeñas agrupaciones) de microbios (0.5 a 2 mm de
diámetro), microorganismos que por su propio peso se resisten a ser arrastrados por el flujo
ascendente. Los microorganismos en la capa de lodos degradan los compuestos orgánicos. Como
resultado se liberan gases (metano y bióxido de carbono). Las burbujas ascendentes mezclan los
lodos sin necesidad de piezas mecánicas. Las paredes inclinadas vuelcan el material que alcanza la
superficie del tanque. El efluente clarificado es extraído de la parte superior del tanque en un área
por encima de las paredes inclinadas.
Después de varias semanas de uso, se forman gránulos más grandes de lodos que, a su vez, actúan
como filtros de partículas más pequeñas al ir subiendo el efluente por la capa de lodos. Dado el
régimen ascendente, los organismos que forman los gránulos son acumulados, mientras que los
demás son arrastrados por el flujo.
El gas que asciende hacia la superficie es recolectado en un domo y puede ser usado como fuente de
energía (biogás). Se debe mantener una velocidad ascendente de 0.6 a 0.9 m/h para mantener la
capa de lodos en suspensión.
Figura 47: Funcionamiento reactor UASB.
Fuente: [PTAR pequeños poblados, Omar Gallegos]
101
6.1.1 Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB frente al sistema aerobio tradicional.
Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional
Figura 48: Diagrama de flujo del sistema aerobio tradicional de lodos activados.
Fuente: [La tecnología anaerobia U.A.S.B.]
Diagrama de flujo del sistema anaerobio UASB
Figura 49: Diagrama de flujo del sistema anaerobio U.A.S.B.
Fuente: [La tecnología anaerobia U.A.S.B.]
102
6.2 Parámetros de funcionamiento y diseño
6.2.1 Características de los reactores UASB
Los reactores UASB presentan una serie de características que los hacen muy eficientes y
económicos. Estas características son:
Sistema compacto, baja demanda de área.
Bajo costo de construcción y operación.
Baja producción de lodo.
Bajo consumo de energía.
Eficiencias de remoción de DBO y de DQO del orden de 65 a 90%.
Posibilidad de rearranque rápido luego de paradas largas.
El lodo de purga tiene elevada concentración.
El lodo de purga presenta buenas condiciones de deshidratación.
Además, existen diversas limitaciones o problemas que pueden surgir y que deben ser tenidas en
cuenta:
Posibilidad de producción de olores.
Poca capacidad del sistema de tolerar cargas tóxicas.
Elevado intervalo de tiempo para realizar el arranque en comparación con otros
sistemas.
Necesidad de una etapa de postratamiento.
Un croquis de este tipo de reactor sería el siguiente:
Figura 50: Esquema de un reactor anaerobio UASB.
Fuente: [Criterios y parámetros de diseño UASB]
103
6.2.2 Principios de funcionamiento del reactor UASB
Las características del flujo ascendente deben asegurar el máximo contacto entre biomasa y
sustrato. En este tipo de reactores es importante evitar cortocircuitos. En cuanto al sistema de
separación de las 3 fases (sólido, líquido y gas), debe estar bien adecuadamente diseñado. Por
último, el lodo debe estar bien adaptado, con alta AME y excelentes condiciones de
sedimentabilidad.
Además, se han de cumplir una serie de requisitos ambientales para asegurar el correcto
funcionamiento de este tipo de reactores. Estas condiciones son:
pH y alcalinidad:
El pH debe mantenerse próximo a la neutralidad, pudiendo tener fluctuaciones entre
6.5 y 7.5. Su valor en el digestor no sólo determina la producción de biogás, sino
también su composición. Por otra parte, la alcalinidad, que es una medida de la
capacidad tampón del medio, se recomienda que no sobrepase valores de 0.3-0.4
para evitar la acidificación del reactor.
Nutrientes:
Se requiere unos valores de nutrientes que aseguren el crecimiento de
microorganismos. Para ello es necesaria la presencia de macronutrientes (N, P, S) y
micronutrientes (Fe, Zn, etc.) en proporciones adecuadas. Estos elementos se
encuentran presentes en el líquido residual doméstico.
Una de las ventajas inherentes al proceso de digestión anaerobia es su baja necesidad
de nutrientes como consecuencia de su pequeña velocidad de crecimiento. El
carbono y el nitrógeno son las fuentes principales de alimentos de las bacterias
formadores de metano. Por lo tanto, la relación Carbono/Nitrógeno tiene una gran
importancia para el proceso fermentativo, recomendándose un ratio 20-30 como el
óptimo.
Temperatura
A medida que aumenta la temperatura, aumenta con ella la velocidad de crecimiento
de los microorganismos y se acelera el proceso de digestión dando lugar a mayores
producciones de biogás. La temperatura de operación en el digestor, está considerada
uno de los principales parámetros de diseño, ya que variaciones bruscas de
temperatura en el mismo podría provocar una desestabilización en el proceso.
En cuanto a la temperatura se distinguen dos rangos fundamentalmente, el rango
mesófilo (25-45ºC) y el rango termófilo (50-55ºC). El primero es el más común a
pesar de que el termófilo se está utilizando cada vez más para lograr una mayor
velocidad del proceso, y por tanto una mejor eliminación de organismos patógenos.
Sin embargo, el rango termófilo suele ser más inestable ante los cambios en las
condiciones de operación y presenta además problemas de inhibición del proceso por
la sensibilidad a compuestos concretos como el amoniaco.
104
6.3 Datos experimentales
Tras realizarse el estudio del volumen de aguas residuales de una Estación Depuradora de Aguas
Residuales (EDAR) se encontraron diferencias de caudales a lo largo de un mismo día, en función
de las horas. El balance de caudales se observa en las siguientes tablas:
LUNES
Figura 51: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el lunes.
Fuente: [Elaboración propia]
LUNES
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 63 63
7:00 70 133
8:00 77 210
9:00 84 294
10:00 91 385
11:00 77 462
12:00 91 553
13:00 70 623
14:00 49 672
15:00 42 714
16:00 49 763
17:00 35 798
18:00 42 840
19:00 28 868
20:00 28 896
21:00 28 924
22:00 11,2 935,2
23:00 1,4 936,6
0
20
40
60
80
100
Q [m3/h]
Q [m3/h]
0100200300400500600700800900
1000
Q acum
Q acum
105
MARTES
Figura 52: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el martes.
Fuente: [Elaboración propia]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Q acum
Q acum
MARTES
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 66 66
7:00 69 135
8:00 80 215
9:00 82 297
10:00 89 386
11:00 77 463
12:00 92 555
13:00 70 625
14:00 47 672
15:00 43 715
16:00 49 764
17:00 33 797
18:00 41 838
19:00 27 865
20:00 28 893
21:00 28 921
22:00 10 931
23:00 1,5 932,5
0:00 932,5
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Q [m3/h]
Q [m3/h]
106
MIÉRCOLES
Figura 53: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el miércoles.
Fuente: [Elaboración propia]
MIERCOLES
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 65 65
7:00 69 134
8:00 77 211
9:00 85 296
10:00 90 386
11:00 75 461
12:00 95 556
13:00 72 628
14:00 49 677
15:00 43 720
16:00 48 768
17:00 36 804
18:00 42 846
19:00 29 875
20:00 28 903
21:00 25 928
22:00 11 939
23:00 1,1 940,1
0:00 0 940,1
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Q [m3/h]
Q [m3/h]
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
Q acum
Q acum
107
JUEVES
Figura 54: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el jueves.
Fuente: [Elaboración propia]
JUEVES
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 68 68
7:00 72 140
8:00 77 217
9:00 89 306
10:00 91 397
11:00 77 474
12:00 98 572
13:00 73 645
14:00 51 696
15:00 48 744
16:00 52 796
17:00 41 837
18:00 43 880
19:00 31 911
20:00 28 939
21:00 26 965
22:00 13 978
23:00 3 981
0:00 0 981
0
20
40
60
80
100
120
Q [m3/h]
Q [m3/h]
0
200
400
600
800
1000
1200
Q acum
Q acum
108
VIERNES
Figura 55: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas durante el viernes.
Fuente: [Elaboración propia]
VIERNES
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 65 65
7:00 73 138
8:00 81 219
9:00 89 308
10:00 95 403
11:00 81 484
12:00 96 580
13:00 73 653
14:00 51 704
15:00 44 748
16:00 52 800
17:00 37 837
18:00 44 881
19:00 30 911
20:00 30 941
21:00 29 970
22:00 6 976
23:00 1,1 977,1
0:00 977,1
0
20
40
60
80
100
120
Q [m3/h]
Q [m3/h]
0
200
400
600
800
1000
1200
Q acum
Q acum
109
Tras el estudio de la EDAR a lo largo de la semana, se realiza ahora una media para evaluar con
mayor perspectiva este caudal y poder realizar el diseño del reactor con mayor precisión.
Figura 56: Tabla y gráficas del caudal de aguas residuales en una EDAR por horas de media.
Fuente: [Elaboración propia]
MEDIA
Hora Q [m3/h] Q acum
1:00 0 0
2:00 0 0
3:00 0 0
4:00 0 0
5:00 0 0
6:00 65,37986541 65,3798654
7:00 70,58140766 135,975125
8:00 78,38075388 214,372371
9:00 85,75479548 300,146668
10:00 91,17752123 391,332735
11:00 77,37553975 468,71572
12:00 94,36480064 563,097223
13:00 71,58711481 634,687757
14:00 49,37715623 684,072013
15:00 43,95173495 728,051761
16:00 49,97214793 778,030163
17:00 36,30563299 814,392256
18:00 42,38778413 856,782228
19:00 28,9654679 885,76013
20:00 28,38903799 914,156364
21:00 27,1597322 941,359967
22:00 9,920671337 951,615898
23:00 1,501153779 953,228489
0:00 0 953,228489
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Q [m3/h]
Q [m3/h]
0
200
400
600
800
1000
1200
Q acum
Q acum
110
De este estudio, se pueden extraer conclusiones de caudal que serán claves a la hora de realizar el
diseño. Estos valores son los que serán utilizados para dimensionar nuestro reactor de manera
adecuada. En las siguientes tablas se muestran los caudales más significativos y que aerán los
determinantes para el cálculo de este digestor:
Q diario medio [m3/dia] 953,228489
Q medio 16 horas [m3/h] 59,5767805
Cp 2
Q punta [m3/h] 119,153561
Q punta diario [m3/dia] 1906,45698
Q medio [m3/h] 60
Sobredimensionamiento 1,25
Q diseño [m3/h] 75
Q punta de diseño [m3/h] 120
Tabla 20: Tablas de caudales para el diseño.
Fuente: [Elaboración propia]
Estos datos serán explicados con más detalle en el siguiente apartado: "Diseño del reactor UASB".
Los dos pilares fundamentales para el diseño de este reactor son el caudal de aguas que va a recibir
y la composición que poseen dichas aguas. Una vez realizados ambos estudios, se puede comenzar
el diseño del reactor con cálculos teóricos. En el siguiente gráfico se recuerda la composición de las
aguas a tratar:
ppm
CONSTITUYENTE RANGO MEDIA
DBO5 450-4800 1885
DQO5 1500-2500 2100
Sólidos en Suspensión 24-5700 1500
Sólidos Totales 135-8500 2400
pH 5.3-9.4
Grasa 35-500 209
Proteínas 210-560 350
Carbohidratos 252-931 522
Fósforo 11-160 50
Tabla 21: Composición de las aguas residuales de la industria láctea.
Fuente: [Elaboración propia]
111
6.4 Diseño del reactor UASB
6.4.1 Datos diseño
6.4.1.1 Caudal
Tras el estudio realizado en el apartado "4.3 Datos experimentales", se concluyó que el caudal
diario medio es de 953 [m3/día], lo que supone un caudal medio de trabajo, al estar trabajando sólo
durante 16 horas, de 60[m3/hora], por seguridad se realizará un sobredimensionamiento de un 25%.
Por lo tanto, el caudal con el que trabajaremos será de 75[m3/hora] por cada reactor. Sin embargo, a
pesar de ser este el punto de diseño medio, habrá que diseñar para el caudal punta de diseño que
corresponde como figura en la "Tabla 20" a 120[m3/hora].
En conclusión, el reactor será diseñado para soportar un caudal de 120 [m3/hora], o lo que es
equivalente,
Qmáximo = 2880 [m3/día]
Qdiseño = 1800[m3/día]
Por tanto, el reactor se diseñará para soportar caudales de hasta 2880 [m3/día] pero se tratará como
caudal de funcionamiento el caudal medio.
6.4.1.2 Concentración
Las aguas residuales generadas en la industria láctea, tras todo el estudio realizado se concluyó que
tienen un alta carga orgánica, que será la utilizada para la generación de CH4.
Como se aprecia en la "Tabla 21", la carga orgánica será de:
DQO5 = 6000 [mg/l] Concentración = 6 [Kg DQO5/m3]
6.4.1.3 COV: Carga Orgánica Volumétrica
La carga orgánica volumétrica no ha de superar el límite de 15 [kg DQO/m3]:
COV ≤ 15 [kg DQO/m3]
6.4.1.4 CHV: Carga Hidráulica Volumétrica
La carga orgánica volumétrica no ha de superar los 5 [m3/m3.d], lo que hará que el TRH sea menor
que 4.8 horas.
112
6.4.2 Cálculo del volumen de reactor
COV(kg DQO/m3) = Q(m3/día)*Concentración(kg DBO/m3)/Volumen Reactor(m3)
Luego:
V (m3) = [1800(m3/día)*6(kg DBO/m3)]/15(kg DQO/m3)
Comprobamos que no supera la CHV:
CHV(m3/m3.d) = Q(m3/día)/V(m3)
CHV(m3/m3.d) = 1800(m3/día)/720(m3)
OK!
6.4.3 Cálculo de la velocidad superficial del flujo
La velocidad superficial tendrá los siguientes valores en función del caudal para líquidos
domésticos:
Tabla 22: Valores de velocidad superficial en función del caudal para líquidos domésticos.
Fuente: [Reactores Anaerobios, 2002]
Sin embargo, para aguas con altas cargas orgánicas como las que se están tratando, la velocidad
superficial ronda entre 0.9 - 1.2. Para este estudio se tomará:
V (m/h) = 1.1 (m/h)
Volumen del reactor = 720 [m3]
CHV = 2.5(m3/m3.d) ≤ 5
113
6.4.3.1 Cálculo del THRmedio
TRHmedio = Volumen del Reactor (m3)/Qmedio(m3/hora)
TRHmedio = 720 [m3]/75 [m3/hora]
6.4.4 Cálculo de la altura del reactor
V(m/h) = H(m)/TRH(horas)
H(m) = 1.1(m/h)*10(horas)
6.4.5 Cálculo área de la base del reactor
V(m3) = Base(m) * Altura(m)
Base(m) = 720(m3)/11(m)
Al ser un reactor cilíndrico:
TRHmedio ≈ 10 horas
Altura Reactor = 11 metros
Base = 65 (m2)
Radio Base = 4.6 (m)
114
6.5 Descripción gráfica del tanque del reactor
Figura 57: Representación gráfica de la forma del reactor UASB.
Fuente: [Elaboración propia]
6.6 Piezas complementarias
6.6.1 Cámara de sedimentación
La profundidad de la cámara de sedimentación será de 1.8m puesto que el rango de valores entre los
que suele estar oscila entre 1.5-2 m.
Las paredes del sedimentador serán inclinadas (45º).
Se instalarán deflectores debajo de las aberturas de ingreso al sedimentador (sobresaliendo 10-15
cm) para evitar ingreso de gases.
Volumen = 720 m3
TRH = 10 horas
V = 1.1 m/h
115
6.7 Generación de CH4 y rendimientos del reactor
6.7.1 Cálculo de CH4 generado
CH4 + 2O2 CO2 + 2H2O
(16gr) (64gr) (44gr) (36gr)
De la ecuación surge que 1 mol de CH4 requiere 2 moles de O2 para su completa oxidación. Para el
caso de la glucosa se tendrá que por cada mol de glucosa se generan 3 moles de CH4 (48 gr) que
requieren de un consumo de 192 gr de O2 para su oxidación, siendo entonces la demanda de
oxígeno igual a 192 gr (se remueven 192 gr de DQO).
En resumen, cada 16 gr de CH4 producido y liberado se consumen 64 gr de O2 (se remueven 64 gr
de DQO).
A partir de esta igualdad (64gr de DQO = 16gr de CH4) se puede hallar el volumen de CH4
generado en nuestro reactor.
(Kg DQO/día) = Qdiseño(m3/día)*Concentración(Kg DQO/m3)
(Kg DQO/día) = 1800(m3/día)*6(Kg DQO/m3)
Ahora se ha de calcular esto en volumen, es decir, en litros.
VCH4 = DQOCH4 / k(T) K(T) = K.P / R(273+T)
Con: VCH4 = volumen de CH4 liberado (l)
DQOCH4 = DQO convertida en metano (grDQO removido)
K = gr DQO por 1 mol de CH4 (64 grDQO / molCH4)
R = cte. de los gases (0.08206 atm.l/mol.°K)
P, T = presión atmosférica (atm) y temperatura (ºC)
(Kg DQO/día) = 10800 (Kg DQO/día)
(Kg CH4/día) = 2700 (Kg CH4/día)
116
K(T) lo tomaremos para una temperatura comprendida entre 30-60ºC. De este modo obtenemos un
valor de K(30-60º) = 24.
Por tanto:
VCH4 = DQOCH4 / k(T)
VCH4 = 10800/24
Como se explicó anteriormente, de este gas, aproximadamente el 80% constituye gas metano. Esto
supondría una generación de 90 litros de gas metano al día.
6.8 Eficiencia
Eficiencia DQO:
EDQO = 100*(1 - 0.68*TRH-0.35)
EDQO = 69.6%
Eficiencia DBO:
EDBO = 100*(1 - 0.7*TRH-0.5)
EDBO = 77.86%
Eficiencia SS:
ESS = 250/TRH + 10
ESS = 35%
VCH4 al día = 112.5 litros
117
7 CAPÍTULO VII: Valoración Económica
En la siguiente tabla se ha realizado un estudio económico del proyecto. La finalidad de esto es
comprobar que el proyecto resulta económicamente viable y podría llevarse a cabo con beneficios.
Cabe destacar antes de observar la gráfica, cómo se ha calculado el beneficio económico:
112.5 litros CH4/día 618750 KCal
Con el actual precio del KWh, de 0.06€/KWh, el ahorro anual que supondría la instalación de un
reactor de este tipo sería de 15780€, esto, en valores netos.
En cuanto a los costes serían los siguientes:
1. El coste de la inversión sería :
Coste de equipos: 53.000€
Estudio y planificación: 1.000€
Instalación y puesta a punto: 2.000€
2. Costes de mantenimiento:
Mantenimiento: 9.000€/anuales
Administración: 5% sobre el beneficio obtenido.
3. Amortización:
Lineal a 13 años.
4. Inflación:
3%
En la tabla que se presenta a continuación se observan los valores finales detalladamente:
1 L CH4 = 5500Kcal 1 Kcal = 1,16*10-3KWh
720 KWh
720 KWh/día 15.780€/año
118
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 Acum
Ingresos gen k€ 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8 15,8
Seguros k€ 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,1 0,2 0,2
Terrenos k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Manten k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
Admin k€ 0,8 0,8 0,8 0,9 0,9 0,9 0,9 1,0 1,0 1,0 1,1 1,1 1,1 1,1 1,2 1,2 1,3 1,3 1,3 1,4
Marg bruto k€ 14,9 14,9 14,9 14,8 14,8 14,8 14,7 14,7 14,7 14,6 14,6 14,6 14,5 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3
Amort k€ 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0
BAIT k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3
Res finanz k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
BAT k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3
Impuestos k€ 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0
BN k€ 10,4 10,4 10,4 10,3 10,3 10,3 10,3 10,2 10,2 10,2 10,1 10,1 12,3 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3
Amort k€ 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 4,5 2,2 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0
Desemb k€ 56,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 56,0
CF k€ -56,0 14,9 14,9 14,9 14,8 14,8 14,8 14,7 14,7 14,7 14,6 14,6 14,6 14,5 14,5 14,5 14,4 14,4 14,3 14,3 14,3 236,1
CF Acum k€ -56 -41 -26 -11 3 18 33 48 62 77 92 106 121 135 150 164 179 193 208 222 236
invers 56 k€ % financiado 0% % años 12
VAN 162 interes 5,5% %
TIR 26,2%
Imp sociedades 0,0% % Gasto mant 0,6 € / MWh Gasto Admin 5,0% % Seguro 90 € / torre Alq terrenos 0,00 € / kW Inflación 3% % Increm Pool 3% % Inremento primas 1% %
119
De esta tabla se pueden obtener múltiples conclusiones, que serán enumeradas a continuación:
Durante los 3 primeros años tras la inversión inicial no se obtendrán beneficios sino que se
estará amortizando la instalación.
A partir del cuarto año comenzará a generarse un beneficio.
El proyecto será por lo tanto rentable al cabo de tres años de su instalación.
El beneficio neto que se obtendrá al cabo de 20 años será de 162.000€.
Se podrá concluir que la realización y ejecución de este proyecto es altamente rentable. Por lo tanto
sería un proyecto viable de realizar, con altos beneficios tanto económicos como para el medio
ambiente al tratarse de una energía limpia. Además de generarse energía se lleva a cabo un proceso
de eliminación de residuos orgánicos, algo que siempre es beneficioso.
Para finalizar, el balance económico podría resumirse del siguiente modo:
Se puede concluir que se trata de un proyecto tanto viable como rentable desde el punto de vista
tanto de diseño como de mantenimiento.
56.000€
INVERSIÓN
162.000€
BENEFICIO NETO TRAS 20 AÑOS
120
8 CAPÍTULO VIII: CONCLUSIÓN
Tras el estudio exhaustivo de los procesos en la industria láctea y de los residuos generados
en todos y cada uno de sus procesos, se han obtenido resultados de diversos tipos. Como
conclusión principal, y tratándose de uno de los puntos más determinantes en la realización
del proyecto, cabría destacar el altísimo porcentaje de residuos orgánicos generados en estos
procesos. Sobresaliendo notablemente la presencia de lactosuero en las etapas relacionadas
con la producción de quesos. Gracias a esta conclusión se ha desarrollado el proyecto de
"Diseño e implantación de un reactor anaerobio UASB en la industria de los lácteos para su
uso como fuente de energía de co-generación". Si los residuos analizados no tuviesen un alto
contenido lácteo, la generación de gas metano sería escasa y por tanto su rentabilidad y
viabilidad se verían limitadas.
Por lo tanto, se puede afirmar que este tipo de industria genera el residuo óptimo para ser
metanizado, debido a su alta carga orgánica. El problema surge a la hora de elegir un
reactor. Sin embargo, y a pesar de la diversidad de reactores, ya sean aerobios o anaerobios,
la elección fue directa, un reactor del tipo UASB. Esto se debe a su gran capacidad para
metanizar grandes caudales con alta carga orgánica, además de su bajo coste de
mantenimiento e instalación. Estas son algunas de sus ventajas entre muchas otras. Lo que
no admite discusión es que se trata del reactor más adecuado para el afluente a tratar, algo
que se encuentra perfectamente explicado.
Una vez se eligió el tipo de reactor, era hora de plantearse la viabilidad del proyecto. La
viabilidad comienza por el diseño del reactor. Tras una gran cantidad de cálculos teniendo
en cuenta todas las variables, se elige diseñar un reactor de 11m de altura por 9.2m de
diámetro base. Estas son las dimensiones óptimas para llevar a cabo el proceso anaerobio y
de generación de gas metano de forma adecuada.
Tras estudiar lo tipos de residuos, el tipo de reactor elegido y haberse diseñado el mismo, se
lleva a cabo la parte más compleja a la par que importante, analizar la viabilidad del
proyecto. Teniendo en cuenta los factores a los que se enfrentará el proyecto, se realiza una
simulación de valores para obtener el beneficio que se obtendrá. Una vez se realizan estos
cálculos se comprueba que se trata de un proyecto viable, con capacidad de obtener
beneficios a medio plazo. Una vez instalado el reactor, pasarían tres años y se comenzaría a
obtener beneficios, en concreto más de 160.000€ durante 20 años.
Por último, hacer hincapié en la importancia de las energías renovables como fuente
alternativa de co-generación. Como se ha explicado a lo largo de este proyecto, se puede
generar energía a través de residuos orgánicos. Es más se pueden aprovechar los residuos
que contaminarían para generar energía e incluso obtener un beneficio económico de ello.
Por tanto, la energía puede generarse de forma limpia y casi ilimitada siempre que se
apueste por su desarrollo e investigación. Esto es, sin duda, algo positivo.
121
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122
Borja
Iglesias
Jato
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