REVISTA ELABORACION DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES PARA EL PROCESO DE FABRICACION DE CERVEZA, CONOCIDOS LOS PARÁMETROS Y CONTAMINANTES QUE AFECTAN LA CALIDAD DEL AFLUENTE
República Bolivariana De Venezuela Ministerio Del Poder Popular Para La Educación Superior Universidad Centroccidental “Lisandro Alvarado” Decanato De Ciencias Y Tecnología
ELABORACIÓN DE UNA PLANTA DE TRATAMIENTOS DE AGUAS RESIDUALES PARA EL PROCESO DE FABRICACIÓN DE CERVEZA, CONOCIDOS LOS PARÁMETROS Y CONTAMINANTES QUE AFECTAN LA CALIDAD DEL AFLUENTE.
Participantes: José Hernández C.I: 20.907.004 Leidy Zambrano C.I: 24.325.569 Bárbara Bucarelo C.I: 24.567.947 Profesor: Juan D. Rodríguez. Materia: Tratamiento de Aguas.
Barquisimeto, Octubre de 2016.
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INTRODUCCIÓN Actualmente, en Venezuela y en el mundo existen numerosas empresas dedicadas al proceso de fabricación de cervezas que debido a su alta demanda se mantienen en continua elaboración siendo pioneras en su rama. Por ello, se hace necesario el estudio de su disposición de desechos y en este caso el tratamiento realizado al agua, recurso de suma importancia que representa alrededor del 80% de materia necesaria para la obtención del producto final. De este modo, se determinará los posibles contaminantes que intervienen a lo largo del proceso, identificando a su vez los parámetros de calidad afectados logrando de esta manera el planteamiento de la posible planta de tratamiento necesaria y adecuada para las empresas, así como los cuidados y correcta disposición para evitar o en su caso reducir al mínimo la contaminación de las aguas, de la atmosfera y aguas subterráneas, tomando en cuenta las diversas leyes, normas, decretos y gacetas que controlan el mejoramiento de la calidad ambiental.
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DIAGRAMA DE PROCESOS: ELABORACIÓN DE CERVEZA Cebada Malteada Filtrado
Mezcla de Azúcares, enzimas y proteínas
Hojuelas y Agua Mezclado (Paila de Maceración)
Enzimas, azúcares, proteínas
50°C –75°C
Agitado y T. Verificada
Bombeada a cuba de Filtración
Mezcla de Sedimentos
Filtrado (Cuba de
3 Horas
Filtración) Afrecho
Lúpulo
Enviado Lúpulo,a Paila afrecho y
Sedimentos 1 ½ Hr Hervido (Paila) Enfriado y
10°C
Verificado Temp Disp Electrónico)
Levadura - Aire Levadura en Suspensión
Levadura A
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A
Mosto, Levadura
Fermentado
7 días
(Tanques Vertimientos Líquidos Vertimientos Líquidos
Cilíndricos) Madurado
0 – 1°C 2 Semanas
Mosto transformado en Cerveza Joven
Nitratos, fosfatos
Llevado a filtros Vertimientos Líquidos
de tierra infusoria
Gas Carbónico
Clarificado
Enviado a Tanques de Gobierno
Cerveza joven Almacenado Temporal Enviado a Máquina Llenadora/Tapadora
Lavado con Soda cáustica y agua pura tratada.
Botellas y Tapas Llenado y Tapado
B
Cerveza, Vidrio, jabón, soda cáustica.
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B
Verificado niveles de Tapado y Llenado (Máq. Alta Precisión)
Pasteurizado (Pasteurizadora)
Vertimientos líquidos
Sedimentos, Cerveza
Cajas
Embalado (Máq. Automatizada)
Verificado cantidad botellas por caja
Paletizado
Enviado a Almacén Producto Terminado
Almacenado Producto Terminado
Leyenda: Los contaminantes que afectan la calidad del agua son los marcados en cursiva y con el color rojo.
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DESCRIPCIÓN DEL PROCESO El proceso de elaboración de la cerveza comienza con la trituración de la cebada malteada. Seguidamente, en la paila de maceración, se mezcla la cebada malteada ya molida, con las hojuelas de arroz o maíz y agua, formando así una suspensión espesa. Luego se agita la suspensión y se inspecciona que la temperatura del agitador esté entre 50 y 75 °C, para así transformar las proteínas de la cebada malteada en aminoácidos. Seguidamente, se bombea la mezcla hacia la cuba de filtración, a fin de separar el líquido denominado mosto, de la fracción insoluble conocida como afrecho o nepe. Este proceso tiene una duración aproximada de tres horas. El afrecho, puesto que tiene aplicación industrial como aditivo para la fabricación de alimentos para animales, es retirado del proceso, mientras que el mosto es transferido a una paila donde es hervido con una cantidad determinada de lúpulo, durante hora y media. Posteriormente, el mosto es enfriado a 10°C, y a su vez es inspeccionado por dispositivos electrónicos para garantizar su calidad. Una vez agregada la levadura y el aire estéril al mosto, comienza el proceso más complejo de la elaboración: la fermentación, la cual se lleva a cabo en tanques cilíndricos de acero inoxidable. Durante la fermentación, cuya duración normal es de 7 días, la levadura se transforma en azúcares del mosto en alcohol etílico, gas carbónico y un gran número de compuestos adicionales. Finalizada la fermentación, se inicia el proceso de maduración que es realizado a temperaturas entre 0 y 1 °C bajo cero, durante dos semanas aproximadamente. Después de madurada la cerveza, ya no se habla de mosto, sino de cerveza joven o verde, y es pasada a los filtros de tierra infusoria en donde es clarificada la cerveza; aquí el gas carbónico producido durante la fermentación y extraído para su purificación es reinyectado a la cerveza a la salida de la filtración. En este momento, la cerveza está lista para ser envasada por lo que es enviada a los tanques de gobierno donde es almacenada hasta su requerimiento en llenado.
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Paralelo al proceso de elaboración de la cerveza, se desarrolla el envasado de esta, el cual comienza con el desembalado de las botellas, que es realizado con una máquina que saca las botellas de las cajas (vacíos) devueltas por los clientes. De aquí, las botellas son enviadas por cintas transportadoras a la lavadora, en donde las botellas son lavadas con soda caustica a temperaturas de hasta 80 °C, para luego ser lavadas con agua pura previamente tratada. A la salida de la lavadora, se encuentra un sistema electrónico que inspecciona todas las botellas con el fin de detectar y aprobar o rechazar cualquier botella que no cumpla las exigencias para su llenado. Ya inspeccionadas las botellas, pasan a la máquina giratoria llenadora-tapadora, siendo este el punto donde convergen ambos procesos. Dicha máquina, llena la botella con cerveza de acuerdo con el nivel indicado en cada presentación, bajo contrapresión de gas carbónico y de inmediato, son tapadas herméticamente. A la salida de la máquina llenadora-tapadora, se inspecciona (con un equipo de alta precisión) tanto los niveles de llenado como el correcto tapado de las botellas. Antes de abandonar la línea, los envases son sometidos a un proceso de pasteurización que permite conservar el producto. De la pasteurizadora, los envases salen a temperatura ambiente, listos para ser embalados. La última etapa del proceso es el embalaje, el cual se realiza mediante maquinarias automatizadas que colocan los envases en las cajas plásticas. Para garantizar que las cajas estén completas, pasan por un inspector que revisa el número de botellas por cajas para seguidamente efectuarse el proceso de paletizado y traslado al almacenamiento de producto terminado.
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CONTAMINANTES PRESENTES LUEGO DEL PROCESO DE ELABORACIÓN DE LA CERVEZA Las cervecerías, contienen focos de contaminación ambiental tanto en el proceso de elaboración, como en la etapa de embotellamiento y servicios industriales. Cuando hay cambio de producto, en todos los equipos y líneas hay descargas de mosto por purgas o drenajes (aporte de nitratos, fosfatos, sólidos suspendidos, pH ácido), con el fin de garantizar que el producto deseado, cumpla con las características requeridas. Al no ser reutilizado y por el contrario, se es arrojado dentro de las aguas residuales aportan una carga de DBO alrededor de 110000 mg/Kg de sedimento húmedo. Igualmente, en la fermentación, la levadura es reutilizada el mayor número de veces que sea posible (contando con un buen rendimiento puede ser reutilizada hasta 7-8 veces). Cuando pierde su eficiencia, en algunas partes se seca, pero en otras se almacena y es transportada presentándose problemas de derrames cuyo destino es la alcantarilla. Además, en el lavado tanto de los tanques de fermentación y maduración, como del filtro de tierras infusorias, hay grandes descargas de materia orgánica atribuidas a los restos de levadura que quedan impregnados en las paredes de los equipos. Cuando no hay sistemas de secado de levadura y esta vierte en el caudal de aguas residuales, esta levadura en suspensión aporta una carga de DBO entre 120000-140000 mg/l. Para el lavado del equipo se presentan tres fases primero pasa agua por las líneas y equipos. Luego el recorrido lo hace una solución de soda cáustica (2-4%) que se encarga de esterilizar. Por último, se hace circular agua de nuevo arrastrando restos del álcali impregnados en las paredes. Esta es arrojada a la cañería. La solución de soda, es recolectada y enviada a los tanques de recuperación
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Como en todo proceso, es necesario considerar los accidentes que pueden acontecer cuando se presenten derramamientos de cerveza por desbordamientos de espuma en las botellas, antes de ser tapadas, éste líquido cae al piso. Cuando alguna botella ya envasada se rompe en las bandas (por colisiones con otra botella) el contenido se pierde y se aumenta la cantidad de DBO en las aguas residuales. Para el lavado del equipo se presentan tres fases primero pasa agua por las líneas y equipos. Luego el recorrido lo hace una solución de soda cáustica (2-4%) que se encarga de esterilizar. Por último, se hace circular agua de nuevo arrastrando restos del álcali impregnados en las paredes. Esta es arrojada a la cañería. La solución de soda, es recolectada y enviada a los tanques de recuperación Como en todo proceso, es necesario considerar los accidentes que pueden acontecer cuando se presenten derramamientos de cerveza por desbordamientos de espuma en las botellas, antes de ser tapadas, éste líquido cae al piso. Cuando alguna botella ya envasada se rompe en las bandas (por colisiones con otra botella) el contenido se pierde y se aumenta la cantidad de DBO en las aguas residuales. En la fase de lavado de botellas, se presenta una descarga de aguas alcalinas. En este proceso se produce hidrógeno cuando las hojas de aluminio entran en contacto con la soda caustica. Este hidrogeno puede causar en ocasiones pequeñas explosiones por lo cual se debe considerar una pertinente ventilación en la lavadora. Las bandas transportadoras de botellas son constantemente lubricadas con una solución jabonosa la cual gotean y caen a los conductos. A demás de esto, las botellas ya envasadas pueden colisionar y romperse en dichas bandas ocasionando derrame de cerveza aumentando la cantidad de DBO en las aguas residuales y sólidos suspendidos por las esquirlas y estillas de los vidrios de la botella.
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PARÁMETROS DE CALIDAD DEL AGUA QUE SON AFECTADOS EN EL PROCESO DE PRODUCCIÓN DE LA CERVEZA PARÁMETROS FÍSICOS Sólidos
disueltos,
CONTAMINANTE
PROCESO
color, Mosto
Fermentado
turbidez, sabor. Solidos suspendidos, sabor.
Levadura
Sólidos totales, color, color, Lúpulo,
Lavado de tanques azúcar,
olor, sabor.
levaduras, afrecho.
Color, olor, sabor.
Cerveza
Olor,
sabor,
enzimas Lavado de equipos Llenado y tapado
sólidos Jabón
Transporte
disueltos.
en
bandas
Sólidos suspendidos.
Vidrios
Transporte
en
bandas Olor, color, sabor, turbidez.
Cerveza
Transporte
en
bandas Temperatura.
Soda Cáustica
Lavado de tanques
PARÁMETRO BIOQUÍMICOS
CONTAMINANTE
PROCESO
Toxicidad
Soda Cáustica
Lavado de tanques
Toxicidad
Cerveza
Transporte en bandas
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CONTAMINANTE
PROCESO
DBO
Nitrato, fosfato
Descarga de mosto
DBO
Levadura
Fermentado
DBO
Levadura
Lavado de tanques
DBO
Cerveza
Llenado y tapado
DBO
Cerveza
Transporte en bandas
pH, alcalinidad.
Soda Cáustica
Lavado de tanques
pH, alcalinidad.
Jabón
(Fósforo, Transporte en bandas
aceites)
Inorgánicos
Contribuyentes
Contribuyentes Orgánicos
PARÁMETRO QUÍMICOS
pH, alcalinidad.
Soda Cáustica.
Esterilización
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DISEÑO DE PLANTA DE TRATAMIENTO
Una vez estudiados y conocidos los contaminantes que se generan a lo largo del proceso productivo y a su vez los parámetros, bien sea físicos, biológicos y químicos que se ven alterados y afectan la calidad del agua empleada en dicho proceso, es conveniente realizar el estudio para determinar cuál es la mejor planta de tratamiento de aguas residuales a establecer, siendo esta la de mayor eficiencia.
Es por esto, que luego de realizado el proceso productivo, así como la limpieza de los equipos que intervienen en cada etapa, dada las altas concentraciones de materia orgánica fácilmente biodegradables que tienen estos vertidos, con alta demanda de DBO, DQO, pH variable, es recomendable el empleo de un sistema anaerobio buscando como objetivo principal la disminución dramática o significativa de estos valores, además del aprovechamiento y sustentación de la empresa al realizar tratamiento de los lodos generados, para su posterior venta.
De este modo, obtenidas las aguas del efluente, se sugiere emplear como pre tratamiento un tanque desengrasador, para eliminar las espumas mediante acción sólido- líquido, que se generan por los derrames bruscos de material, además de posibles grasas existentes, agitación de las aguas en los equipos, presencia de espumas y químicos ocasionados por la limpieza de los mismos, propiciando una remoción tranquila durante el tiempo necesario de manera tal que
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las partículas a remover puedan recorrer la trayectoria entre el fondo y la superficie hasta su eliminación.
Seguidamente, el agua que está siendo tratada se envía a un tanque neutralizador, punto fundamental, pues al realizarse exclusivamente un tratamiento anaerobio es de vital importancia controlar las cargas orgánicas y el pH, este, debe mantenerse dentro de un rango para conseguir la acción óptima del microorganismo sobre la materia orgánica. La neutralización, es un procedimiento mediante el cual luego de conocido el estado de acidificación o basicidad presente se debe adicionar, según sea el caso soda cáustica o ácido sulfúrico para mantener unas características estables del caudal y pH en el afluente a depurar.
Luego se ingresa en el biodigestor, que es la operación central de nuestra planta de tratamiento, consiste en un contenedor el cual está herméticamente cerrado y dentro del cual se deposita material orgánico. Los materiales orgánicos se ponen a fermentar con cierta cantidad de agua, produciendo gas metano y fertilizantes orgánicos ricos en fósforo, potasio y nitrógeno. Este sistema también puede incluir una cámara de carga y nivelación del agua residual antes del reactor, un dispositivo para captar y almacenar el biogás y cámaras de hidropresión y pos tratamiento a la salida del reactor.
El proceso de biodigestión se da porque existe un grupo de microorganismos bacterianos anaeróbicos en la carga que al actuar en el material orgánico produce una mezcla de gases al cuál se le llama biogás. El biogás es un excelente combustible y el resultado de este proceso genera ciertos residuos con
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un alto grado de concentración de nutrientes el cuál puede ser utilizado como fertilizante y puede utilizarse fresco, ya que por el tratamiento anaeróbico los malos olores son eliminados; que buscarán ser aprovechados por la empresa. Es importante señalar que en la disposición de los equipos luego de esta etapa, se mantendrá una recirculación de lodos para el desarrollo continuo del tratamiento de aguas. El lodo generado por el biodigestor, pasará por un tratamiento de 4 etapas con el objetivo final de su venta y captación de recursos. Estas etapas son el espesamiento que busca la reducción del volumen del mismo mediante una prensa, la digestión que, según su naturaleza, en este caso anaerobio, reduce el poder de fermentación, la deshidratación y secado para su posterior salida de la planta como posible alimento de animales.
A la salida del biodigestor, en esa línea se dirige el agua residual a la sedimentación tipo 1 buscando la separación de partículas expulsadas o que pueden quedar del biodigestor, es un proceso por acción de la gravedad de las sustancias en suspensión en un tiempo razonable, controlándose parámetros como la turbidez, solidos suspendidos, entre otros.
Sin embargo, se somete a la salida de la sedimentación tipo 1 a un proceso de coagulación y floculación puesto que existen solidos suspendidos que no se eliminan durante la sedimentación primaria, para esto se emplean productos químicos que buscan alterar las características superficiales de los sólidos en suspensión o coloides para su precipitación, realizándose la mezcla rápida con un coagulante o provocándose la aglutinación de los sólidos, formando floculos a
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través de la agitación lenta del material coagulado, pudiendo usarse alumbre y eliminándose así el 80% de los sólidos en suspensión. Es así, como con la sedimentación secundaria se remueven los flocs formados posteriormente al proceso antes mencionado, reduciéndose el 90% de los microorganismos presentes en el agua, en la mayoría de los casos.
En este punto, como tratamiento terciario se empleará un intercambiador iónico, pues el agua en tratamiento llega a presentar alta carga de aniones y cationes contenidos en el agua y es necesario desmineralizarla. Esta, es una operación en la que se utiliza un material, habitualmente denominado resinas de intercambio iónico, que es capaz de retener selectivamente sobre su superficie los iones disueltos en el agua, los mantiene temporalmente unidos a la superficie, y los cede frente a una disolución con un fuerte regenerante.
Para continuar con el proceso de purificación, se somete el afluente a una nueva filtración y neutralización para controlar de forma definitiva el pH y otros parámetros que puedan afectar la salida al efluente, pues por tratar con sistemas anaerobios es vital el chequeo continuo de estos procesos.
Finalmente, el proceso final será la desinfección mediante cloración, donde el desinfectante debe presentar capacidad de destruir patógenos, no provocar toxicidad, ser de fácil obtención y a un costo accesible. Pues se debe manejar continuamente, de modo de agregar las cantidades necesarias, para que según el sitio de descarga, se cumpla a cabalidad con los requisitos mínimos para su descarga.
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LAYAOUT DE LA PTAR
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REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS Guía Unidad I. Gestión de la Producción. Msc. Riera María. 2014. EDAR. Tratamiento de Aguas. Gianella Polleri. Agua equipos. Tratamiento de Aguas. Gianella Polleri Diagrama de Proceso en una Cervecería Tradicional Visitado 22/05/2016 http://www.tecnologiaslimpias.org/html/central/313301/313301_ee.htm Intercambio iónico para el tratamiento de efluentes. Visitado 18/10/16 http://blog.condorchem.com/intercambio-ionico-para-el-tratamiento-deefluentes/ Planta de Elaboración de Cerveza. Visitado 21/05/2016 http://es.slideshare.net/jocxmore/proceso-de-elaboracin-de-cerveza Proceso de Elaboración y Envasado de la Cerveza. Visitado 21/05/2016 https://cervecerosdevenezuela.org/web/proceso-de-produccion/ ¿Qué es un biodigestor? Visitado 18/10/16 http://vidaverde.about.com/od/Energias-renovables/a/Que-Es-Un-Biodigestor.htm
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