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Tratamiento basado en microalgas: una alternativa para el Nejayote Roberto Parra-Saldívar Cátedra de Bioprocesos Ambientales Centro del Agua para América Latina y el Caribe
Centro del Agua para América Latina y el Caribe, Instituto Tecnológico y de Estudios Superiores de Monterrey. Monterrey, Nuevo Leon, México. *E-mail: r.parra@itesm.mx
Proceso de nixtamalización • • •
Nixtamalización: Proceso de cocción del maíz en agua con hidróxido de calcio. Lixiviación que logra la gelificación de los almidones del cereal. Incrementa la disponibilidad de aminoácidos esenciales.
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Proceso de nixtamalización
Fuente: Duran de Bazua, 2007
Nejayote El Nejayote es el agua residual procedente de la nixtamalización. Es altamente contaminante • • • • •
Alto grado de materia orgánica (pericarpio del grano) Altos niveles de DQO y DBO Niveles de materia sólida del 5% al 14.5% Altos niveles de nutrientes (nitrógeno y fósforo) pH muy alcalino (10-14)
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Nejayote
Fuente: Duran de Bazua, et al, 2007
Nejayote
Fuente: Velasco-Martinez, et al, 1997
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Nejayote •
En México operan más de 100,000 plantas pequeñas de nixtamalización y 25 de gran escala.
•
Los "molinos" de nixtamal procesan alrededor de 0.5 a 4 metros cúbicos de maíz por día.
•
En la actualidad se eliminan entre 16 y 22 millones de m3/año de nejayote, 40% de los cuales corresponden a las grandes empresas productoras.
Proceso para el Tratamiento de Agua Residual
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Alternativas Alternativa
Inconveniente
Generación de tecnologías alternas a la nixtamalización tradicional - Reducción de efluentes con alto contenido de materia orgánica - Reducción en consumo de agua
Parámetros de efluentes continúan muy por encima de las normas.
Reutilización del nejayote para nixtamalización
Disminución en calidad de producto. Compuestos fenólicos del nejayote generan aromas y sabores indeseables
Tratamiento anaeróbico seguido de aeróbico
Alto costo energético Generación de CO2
Tratamiento anaeróbico-aeróbico
Fuente: Duran de Bazua, et al, 2007
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Hoy en d铆a: aprovechamiento a nivel industrial de la digesti贸n anaerobia
Proceso de digesti贸n anaerobia
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Enzimas hidrolíticas Hidrólisis Azucares Sacarosa (C6H10O5)2
Sacarasa
Almidón (C6H10O5)n
Amilasaa
Celulosa (C6H10O5)n
Celulosa
Glucosa C6H10O56 Glucosa Glucosa
Proteína Proteína
Peptidasa
AGV’s + NH3
Grasa Grasa
Lipasa
Glicerol + LCFA
Hidrólisis de grasas
La hidrólisis de lípidos depende de la presencia de la metanogénesis: Hipótesis (Sanders et al, 2001.): La producción de metano induce un efecto emulsionante sobre las grasas (la burbujas "disuelven" los triglicéridos).
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Fermentación (acidogénesis) • 2do paso. •
Los aminoácidos, azúcares y algunos ácidos grasos son degradados.
Lípidos
Polisacáridos
Proteínas
Ácidos nucleicos
Sustratos metanogénicos H2, CO2, metanol, acetato
*La ΔG° es la más alta de todas las conversiones anaeróbicas
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Acetogénesis • Intervienen dos grupos de bacterias capaces de producir acetato, dependiendo del sustrato inicial: – Bacterias homoacetogénicas – Bacterias acetogénicas
Bacterias etapa acetogénica Bacterias homoacetogénicas
Bacterias acetogénicas
• Se caracterizan por la formación de acetato como único metabolito a partir de la fermentación de los compuestos solubilizados (azúcares, lactato, etc.) o de la mezcla dióxido de carbono e hidrógeno. • Géneros como:
• Transforman los compuestos intermedios producidos en la primera etapa del proceso, tales como ácidos grasos, alcoholes, compuestos aromáticos y otros ácidos orgánicos, hasta acetato, dióxido de carbono e hidrógeno.
– Clostridium – Acetobacterium – Butyribacterium
– Desulfovibrio – Thermoanaerobium – Syntrophobacter
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Metanogénesis • 3er paso. •
Se lleva a cabo por microorganismos metanógenos.
Acetato
Hidrógeno
Metano + CO2 Generación de bacterias
Fermentación metánica • Esta etapa es más lenta que el proceso de fermentación ácida, debido a que las bacterias metanogénicas tienen una velocidad de crecimiento más baja que las bacterias facultativas y anaerobias de la fermentación ácida. • Tiempo de residencia requerido varía desde 2 a 20 días
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Bacterias metanógenas • Algunos géneros comunes incluyen: – Methanococcus – Methanobacterium – Methanosarcina – Methanospirillum – Methanobacillus – Methanobrevibacter
• Son quimiolitoheterótrofos
Y por si falta algo de metano… •
•
CO2 Oxidar H2 Ácido acético
Metano
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Digestión anaeróbica 4% H2 28% 24% Complejos orgánicos
76%
Ac. orgánicos superiores
Metano 52% 72%
20%
Ac. acético
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Recordando del Nejayote
Fuente: Duran de Bazua, et al, 2007
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• El fósforo inorgánico usualmente se acumula en el agua y, junto con el nitrógeno, genera sistemas eutróficos. – Cambios ecológicos importantes – Muerte de especies acuáticas
• Sistemas de tratamiento convencional producen grandes cantidades de CO2 que se liberan al ambiente.
Crisis del agua • Reuso • Tratamiento
Cambio climático • Emisión de gases de efecto invernadero
Eutrofización de cuerpos de agua • Cambios ecológicos • Muerte de especies acuáticas
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Sistema basado en microalgas
Fuente: Oilgae Guide to Algae-based Wastewater Treatment
Tratamiento basado en microalgas Tiene las siguientes ventajas si se compara con el tratamiento convencional Costoefectivo
Producci贸n de biomasa
Tratamiento con microalgas
Mitigaci贸n de GEI
Bajo consumo energ茅tico
Reducci贸n de lodos
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Tratamiento basado en microalgas Mitigación de gases de efecto invernadero • Las plantas de tratamiento convencionales son uno de los principales productores de CO2 • Tratamiento microalgas: balance de carbón negativo (tasas de generación son más bajas que las de consumo)
Tratamiento basado en microalgas Producción de biomasa • Producción de biocombustibles • Generación de energía (metano -> electricidad) • Composta • Alimento para ganado
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Aplicaciones de las microalgas
Tratamiento de aguas residuales
Captura de CO2
Productos de alto valor agregado
Suplementos alimenticios (humanos y animales)
Tratamiento basado en microalgas Tiene las siguientes ventajas si se compara con el tratamiento convencional (lodos activados) Costoefectivo
Producci贸n de biomasa
Tratamiento con microalgas
Mitigaci贸n de GEI
Bajo consumo energ茅tico
Reducci贸n de lodos
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Tratamiento basado en microalgas Mitigación de gases de efecto invernadero • Las plantas de tratamiento convencionales son uno de los principales productores de CO2 • Tratamiento microalgas: balance de carbón negativo (tasas de generación son más bajas que las de consumo)
Tratamiento basado en microalgas Costo efectivas • Los sistemas basados en algas han demostrado ser una forma más costo-efectiva de remover DBO, patógenos, fósforo y nitrógeno que los procesos de lodos activados.
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Tratamiento basado en microalgas Bajo consumo energético • El costo energético de la aireación para plantas de tratamiento aeróbicas va del 45-75% del costo total • Las microalgas pueden proveer el oxígeno para las bacterias
Tratamiento basado en microalgas Bajo consumo energético • Un kg de DBO removido con lodos activados requieren un kWh de energía para aireación, generando un kg de CO2 fósil • Un kg de DBO removido por oxigenación fotosintética no requiere energía • Produce suficiente biomasa para generar metano que puede ser transformado a energía
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Algunos reportes • Remoción de contaminantes químicos y orgánicos, metales pesados y patógenos • Utilización de biomasa: bioprodctos o biocombustibles • Algunos estudios: Efluente
Especie de microalga
Referencia
Desechos animales
Chlorella sp.
Chen, et al, 2011
Efluentes textiles
Chlorella vulgaris
Lim, et al, 2010
Efluente de granja porcina
Spirulina platensis
Mezzomo, et al, 2010
Efluente de cervecería
S. obliquus
Mata, et al, 2011
Caso: avicultura
Fuente: Oilgae Guide to Algae-based Wastewater Treatment
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Metano
Tratamiento Secundario Anaer贸bico
Nejayote
CO2
Composta
Biomasa
Agua tratada
Parcela de Ma铆z
Caracterizaci贸n efluentes 900 800
DQO (mg/L)
700 600 500 400 300 200
100 0 1ario
Anaerobico
Aerobio
2ario
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18 16 14 12 10 8 6 4 2 0 1ario
Anaerobico
Aerobio 25
2ario
N(mg/L)
20 15 10 5 0 1ario
Anaerobico
Aerobio
2ario
Pruebas preliminares โ ข Remociรณn de DQO 900 800 700 COD (mg/L)
P-PO4 (mg/L)
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600 500 400 300 200 100 0 0
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Primary C.
4
6 8 Time (days)
R. Anaerobic
R. Aerobic
10
12
14
Secondary C.
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• Remoción de Fósforo 9
Total phosphorus (mg/L)
8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
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3
4
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6 7 8 Time (days)
9
10
11
12
13
14
• Remoción de Nitrógeno 35 30 25 20 15 10 5 0 0
2
4
6
8
10
12
14
-5
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PROPUESTA Aprovechamiento de nutrientes provenientes del reactor anaeróbico.
Objetivo General Investigación y desarrollo conceptual de una biorrefinería basada en economía azul para el aprovechamiento del Nitrógeno y Fósforo residual proveniente de los efluentes empleando microalgas como una alternativa sustentable encaminado hacia industrias cero descargas.
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