Jani Pacheco Aranibar¹,  Luis Lizarraga Vargas¹, Julio Caceda Quiroz²,

Julio César Bernabé Ortiz^1,3,4

(1) Instituto de Biotecnología del ADN Uchumayo. Arequipa

(2) Universidad Nacional Jorge Basadre Grohmann. Tacna

(3) Universidad Católica de Santa María. Arequipa

(4) Universidad Nacional de San Agustín. Arequipa

Resumen: Los aceites y grasas presente en los residuos industriales provenientes de las industrias Restaurantes y domicilios, crean muchos problemas medioambientales, incluyendo malos olores, la obstrucción de las líneas de alcantarillado y puede interferir con el buen funcionamiento de las obras de tratamiento de aguas residuales. Remoción de los aceites y gracias de las aguas residuales es, pues, de importancia crítica para asegurar que las aguas residuales se gestionen de una forma eficiente.

En el presente estudio, evaluamos la degradación de aceites y grasas usando un Contactor Biológico Rotativo (BCR), en donde los biodiscos son cubiertos con biopelículas formadas por Planococcus sp., una bacteria aislada de suelos desérticos de la Joya Arequipa y registrada en GenBank como EF543862. Recolectamos el aceite proveniente de una empresa del parque industrial de Arequipa, y en una dilución al 20% fueron colocados en un Prototipo de Contactor Biológico Rotatorio (CBR), que presentaba discos con biopeliculas formadas por Planococcus sp y en otro compartimento que contenía un Consorcio de Planococcus sp, y Pseudomona fluorescens.

Para evaluar la Biorremediación del aceite industrial, se monitorearon la concentración de Lípidos, DBO y DQO. Y encontramos que las tres variables se reducen durante el tiempo de monitoreo, alcanzando una degradación de 98%, 99.13% y 96.4% para Lípidos, DQO y DBO respectivamente, concluyendo que la cepa de Planococus sp. Contenidos en el CBR es efectivo y elimina los aceites y grasas presentes en un agua residual. La degradación de Aceites y grasas fue confirmada por HPLC. Esta nueva tecnologia debe ser instalada en las empresas para la eliminación primaria de sus residuos de aceites y grasas.

El Presente trabajo es Financiado por Concytec - Resolución de Presidencia N°348-2010-CONCYTEC-P

Palabras Clave: Planococcus sp., Transferencia tecnológicas, Biorremediación, Biopelículas, DBO, DQO.

Summary: Oils and fats present in industrial waste, food or liquids, clogging of sewer lines and can interfere with the proper functioning of wastewater treatment works. The elimination of oils and the properties of wastewater is therefore of critical importance to ensure that wastewater is managed in an efficient manner.

In the present study, it evaluates the degradation of oils and fats using a Rotating Biological Contactor (BCR), where the biodisc are coated with biofilms formed by Planococcus sp., An isolated bacterium from desert soils of the Joya-Arequipa and registered in GenBank as EF543862. Our collect the oil coming from a company of the industrial park of Arequipa, and in a dilution to 20% were placed in a prototype of Rotary Biological Contactor (CBR) , which presented discs with biofilms formed by Planococcus sp and in another compartment containing a Consortium of Planococcus sp, and Pseudomonas fluorescens.

To evaluate the bioremediation of industrial oil, monitor the concentration of Lipids, BOD and COD. The variables were reduced during the monitoring time, reaching a degradation of 98%, 99.13% and 96.4% for Lipids, COD and BOD respectively, concluding that the Planococus sp. Contents in the CBR is effective and eliminates oils and fats present in wastewater.The degradation of oils and fats was confirmed by HPLC. This new technology must be installed in companies for the primary elimination of waste and grease.

The Present of the work is Funded by Concytec - Presidential Resolution No. 348-2010-CONCYTEC-P

Keywords: Planococcus sp., Technology transfer, Bioremediation, Biofilms, DBO, DQO.

INTRODUCCION.

Los lípidos (grasas y aceites) forman una parte importante de los residuos domésticos e industriales, por lo tanto, contribuyen con la contaminación del medio ambiente. Las fuentes incluyen las aguas residuales de refinerías de aceite comestible, desechos de la industria de hidrocarburos, parque automotor, mataderos y productos lácteos (Saifudin et al., 2006). La alta concentración de estos compuestos en aguas residuales causa serios problemas en los procesos de tratamiento de estas aguas formando una capa sobre la superficie y disminuyendo la tasa de transferencia de oxígeno en el proceso aeróbico (Becker et al., 1999).

En las sociedades modernas la gestión adecuada de las aguas residuales es una necesidad, no un
opción. Las aguas residuales se clasifican generalmente con características compatibles con las autoridades municipales las aguas residuales se descargan a menudo a los colectores de desagüe e incluso son eliminadas al suelo. Muchas aguas residuales industriales exigen un tratamiento previo para eliminar las sustancias no compatibles antes de su descarga en los desagües. Los lípidos tienen una importante contribución a la parte orgánica de las aguas residuales. Su cantidad en las aguas residuales es aproximadamente el 30-40% de la demanda química de oxígeno total. (Chipasa y Medrzycka, 2006).

En la Ciudad de Arequipa, muchas empresas industriales producen aceites y grasas residuales, las del parque automotriz al hacer el cambio de aceite de sus motores, las maquinarias de las empresas, etc.  Este aceite es almacenado en cilindros, pero mucho es eliminado al suelo; en el caso del aceite que es almacenado en cilindros, este residuo es vendido a 50 nuevos soles el cilindro para los hornos de la ladrillera informal. El uso de los aceites residuales en los hornos de ladrilleras informales, en el caso de las ladrilleras ubicadas en Yarabamba, son quemados produciendo contaminantes y dispersando sus solidos al medio ambiente que en consecuencia afecta a muchas especies, plantas, animales, así como humanos.

La biodegradación se convierte en una alternativa, puesto que este proceso que naturalmente se lleva a cabo por microorganismos, tiene la ventaja de eliminar los aceites, grasas y otras sustancias en compuestos más simples y menos tóxicos, y si la biorremediación es completa los contaminantes son convertidos en CO2, agua que no afectan al medio ambiente… y pueden ser vertidos a los desagües o ríos.

Utilizamos el aceite residual de una empresa constructora del parque industrial de Arequipa, como materia prima para la biodegradación, utilizando Contactores Biológicos Rotatorios. Se mide la concentración de Lípidos Totales, Demanda Bioquímica de oxigeno (DBO) y Demanda Química de Oxigeno (DQO).

Grasas y Aceites en Aguas residuales

La denominación de “grasas y aceites” se refieren únicamente al estado físico sólido o líquido de este tipo de lípidos y no tienen ninguna relación con cualquier otra propiedad; la estructura y la química no varía. Las grasas y aceites son ésteres formados por la condensación (unión) de ácidos grasos con glicerol. En general, las grasas y aceites comestibles o alimenticias están formadas básicamente por triacilglicéridos (TAG), que consisten en mono, di o triésteres; ya que el glicerol es un trialcohol que puede dar origen a los compuestos mencionados. En la molécula del triacilglicerol se crea un centro quiralico si los dos grupos OH primarios del glicerol están esterificados con dos ácidos grasos diferentes. Él número de TAG posibles se deduce del número "n" de ácidos grasos existentes en la grasa (Alais y Linden, 1990).

Las grasas animales y los aceites vegetales son cuantitativamente el tercer componente de los alimentos. Los tipos de grasas y aceites más frecuentemente presentes en los sistemas de alcantarillado corresponden a aceites de tipo vegetal y grasas de tipo animal. Las grasas y aceites son de los compuestos orgánicos más estables y no son fácilmente biodegradables; sin embargo, los ácidos minerales las atacan, dando como resultado la formación de ácidos grasos y glicerina. En presencia de álcalis, tales como el hidróxido sódico, la glicerina se libera y se forman sales alcalinas de los ácidos grasos (Bailey y Ollis,1986). También desembocan al alcantarillado, el queroseno y los aceites lubricantes y los procedentes de materiales bituminosos derivados del petróleo, utilizados en la construcción de carreteras. En su mayoría flotan sobre el agua residual, aunque una parte de ellos es arrastrada con el fango por los sólidos sedimentables. Incluso en mayor proporción que las grasas, aceites y jabones, los aceites minerales tienden a recubrir las superficies. Las partículas interfieren con la actividad biológica y causan problemas de mantenimiento (Metcalf y Eddy, 1985, Linda U. Obi, 2016).

Demanda Bioquímica de Oxigeno, llamado también DBO,

Con la importancia creciente del control eficaz de la contaminación, especial énfasis fue puesto  en la Demanda Bioquímica de Oxígeno (DBO). La Agencia de Protección Ambiental (EPA) utiliza los niveles de DBO para medir la fuerza de efluentes y establecer los lineamientos de efluentes como lo exige la Ley de Control de la polución del agua.
DBO es una medida del contenido de sustancias biológicamente degradables en aguas residuales. Las sustancias son degradadas por microorganismos en presencia de (y con el consumo de) oxígeno. La demanda de oxígeno se mide en términos del oxígeno consumido por los microorganismos durante un período de 5 días (DBO 5) o siete días (DBO7).

La DBO es uno de los parámetros de mayor importancia en el estudio y caracterización de las aguas no potables. La determinación de DBO además de indicarnos la presencia y biodegradabilidad del material orgánico presente, es una forma de estimar la cantidad de oxigeno que se requiere para estabilizar el carbono orgánico y de saber con que rapidez este material va a ser metabolizado por las bacterias que normalmente se encuentran presentes en las aguas residuales.

La importancia de este parámetro requiere de ciertos cuidados y atención en la técnica analítica, ya que por ser un proceso biológico el manejo y tratamiento de la muestra es delicado.

El método estándar consiste en tomar un pequeño volumen de la muestra a analizar. Este pequeño volumen debe ser representativo del total de la muestra, por lo que ésta deberá estar completamente homogenizada.

Un volumen que es típicamente de unos cuantos mililitros (1-50 ml), se mezcla con un agua de dilución previamente preparada y que contiene los nutrientes requeridos para el desarrollo del medio microbiano que digiere el material orgánico presente en la muestra. Estos nutrientes son esencialmente: nitrógeno, fósforo, fierro, calcio, magnesio, etc., y se estabiliza el pH del agua de dilución con un buffer adecuado. Normalmente las aguas residuales ya tienen éstos nutrientes, pero se agregan para el caso de aguas de desecho que no los contengan. No es posible poner grandes cantidades de muestra ya que además del material orgánico digerible, se requiere oxígeno para el metabolismo de las bacterias y la solubilidad del oxígeno en el agua es bastante limitada (aproximadamente 8 mg/litro a 25ºC y 1 atm. de presión). Si el material orgánico está en exceso estequiométrico de la cantidad de oxigeno requerido, como lo indica la ecuación (1) al término de la prueba no hay oxígeno disuelto que se pueda medir y no es posible evaluar la Demanda de Oxigeno.

La ecuación (2) es la deseable, ya que de esta manera si se puede determinar la cantidad de oxigeno consumido, restando el oxígeno disuelto al final de la prueba con el oxígeno inicialmente presente.

Bacterias + O₂ + Sustrato => Bacterias + Sustrato (1)

Bacterias + O₂ + Sustrato =>Bacterias + O₂ (2)

La razón técnica de hacer las lecturas de DBO a los cinco días de incubación es porque después de este periodo frecuentemente ocurre la nitrificación. La nitrificación o conversión del nitrógeno orgánico y amoniacal a nitritos y nitratos requiere de oxígeno, por lo que la disminución de oxígeno disuelto o incremento de DBO, ya no se debe a la oxidación del carbono orgánico que es lo que se desea medir en este tipo de prueba.

La razón histórica de hacer la lectura a los cinco días y a una temperatura de 20ºC, se debe a que como esta técnica tiene su origen en Inglaterra, la British Royal Commission of Sewage Disposal, determinó que la temperatura promedio de los ríos de este país es de 18.3ºC y que el tiempo máximo que duran estas aguas en su trayecto de los ríos hacia el mar, es de cinco días. Como ésta prueba de DBO pretende reproducir estos hechos, se seleccionaron los parámetros de tiempo y temperatura ya mencionados, y que por causas circunstanciales coinciden más o menos con las razones técnicas de efectuar las lecturas en esas condiciones (Cristina Nerín de la Puerta, Cristina. 2010).

Demanda Química de Oxígeno (DQO).

La Demanda Química de Oxígeno (DQO) se define como cualquier sustancia tanto orgánica como inorgánica susceptible de ser oxidada, mediante un oxidante fuerte. La cantidad de oxidante consumida se expresa en términos de su equivalencia en oxígeno. DQO se expresa en mg/l O2.

Debido a sus propiedades químicas únicas, el ión dicromato (Cr2O72-) es el oxidante especificado en la mayoría de los casos. En estas pruebas el Cr2O72- se reduce a ión crómico (Cr3+). Como se ha comentado, tanto los constituyentes orgánicos como inorgánicos de la muestra están sujetos a oxidación. Sin embargo, el componente orgánico predomina y es de mayor interés. El DQO es un test definido, tanto el tiempo de digestión como la fuerza del reactivo y la concentración DQO de la muestra afectan al grado de oxidación de la misma. El método DQO se usa a menudo para medir los contaminantes en las aguas naturales y residuales y para evaluar la fuerza de desechos tales como aguas residuales municipales e industriales. El método DQO se usa también en aplicaciones en centrales eléctricas, industria química, industria papelera, lavanderías, estudios medioambientales y educación general. En las plantas potabilizadoras de agua, los valores DQO deberán ser inferiores a 10 mg/l O2 al final del ciclo de tratamiento.

En la primera Etapa se hicieron los ensayos en Laboratorio usando mini CBR con 0.5 litros de capacidad y los resultados nos permitieron diseñar un prototipo de CBR con una capacidad de 500 litros. En la presente etapa se ha puesto en funcionamiento un CBR a escala Piloto, para biodegradar los aceites residuales de una empresa del parque industrial de Arequipa para demostrar, a través de la medida de Lípidos, DBO y DQO, la eficacia de las bacterias (Planococcus sp.) en la descontaminación de residuos aceitosos y de esta forma la industria aplique esta tecnología como un pretratamiento de sus residuos y evitar de esta disminuir el tipo de contaminantes en sus aguas residuales.

MATERIAL Y METODOS

Diseño del Biorreactor CBR.

SISTEMA MECÁNICO, un tanque del CBR, que ha sido construido a base de fibra de vidrio industrial de alta densidad y resistencia recubierto con pintura anticorrosivo, el cual descansa sobre un armazón metálico (ángulos de dos caras y tubos redondos) diseñado para soportar pesos de volumen elevados, las dimensiones según el diseño planteado es de 120 cm largo x 90 cm ancho x 60 cm altura. Subdividido en tres compartimientos iguales es decir cada sub compartimiento tiene las siguientes dimensiones 40cm largo X 90cm de ancho X 60cm de alto. Sistema eléctrico, está conformado por un Motor trifásico de marca SIEMENS 4p 0.4 HP 1800RPM/con reductor incorporado el cual baja la velocidad hasta 50 RPM; un variador de velocidad de la marca SCHNEIDER ALTIVAR Y guardamotor de protección 6 AMP.

En la siguiente figura se presenta el BIOREACTOR BCR ya ensamblado en su totalidad, además se realizó pruebas de funcionamiento óptimo y ajustes en zonas donde era necesario.