Original.docx

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE EVAPORADOR AL VACÍO PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA DESMUCILAGINACION DEL CAFÉ.

ANDREY FELIPE CASAS DIEGO OMAR CARRASCAL MIGUEL ANDRES DURAN

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA, SANTANDER 2019

ii

DISEÑO DE UN PROTOTIPO DE EVAPORADOR AL VACÍO PARA LA DEPURACIÓN DE AGUAS RESIDUALES PROVENIENTES DE LA DESMUCILAGINACION DEL CAFÉ.

ANDREY FELIPE CASAS DIEGO OMAR CARRASCAL MIGUEL ANDRES DURAN

Trabajo de grado para la asignatura de Metodología de la investigación.

SANDRA PATRICIA BASTO TORRADO Doctora en Bioética.

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA, SANTANDER 2019

iii

1

Planteamiento del problema Las reservas de agua disponibles para la población en el mundo están disminuyendo por diferentes causas, entre ellas, la deforestación acelerada, el uso excesivo de las aguas subterráneas, el crecimiento de la población en especial en las regiones con escasez de agua, a la mayor demanda de la seguridad alimentaria y bienestar socio económico y a la contaminación de origen industrial, urbano y agrícola. A lo anterior se debe agregar una pérdida en la calidad del agua por falta de tratamiento de aguas residuales. (Cadena y Jaramillo, 2009). A manera de ejemplo, indicadores estimados reportan que para producir una taza de café (125 ml) se necesitan 120 L de agua y para precisar estos conceptos Chapagain y Hoekstra, (2003), realizaron varios estudios. Uno de ellos midió cuánta agua virtual movilizan 356 productos transados< en el comercio internacional (1997-2001), estimando en conjunto que se mueven un 1,26 billón de m3 de agua y entre los productos, el café no tostado y no descafeinado ocupa el primer lugar aproximadamente con 80.000 millones de m3. Esto equivale al 6,32% del volumen del intercambio de agua virtual en el mundo. En segundo lugar, está el trigo con 75.000 millones de m3 de agua virtual al año (Chile Potencia Alimentaria, 2013). La caficultura es un componente fundamental en la estructura económica y social del país. Esta genera más de un millón de empleos directos e indirectos, involucrando 563.000 familias de productores y es determinante en la vida rural y en el desarrollo económico de más de 590 municipios en Colombia. Siendo una actividad de pequeños productores, donde el 73,7% de las fincas tiene un tamaño que varía entre 0,1 y 5,0 ha, representa el 36% del empleo agrícola, genera el 1,6% del PIB nacional, y el 12,5% del PIB agrícola nacional con una alta dependencia regional. En siete departamentos el café representa más del 35% del PIB agrícola (Conpes, 2006).

2

El cultivo del café se encuentra en altitudes comprendidas entre los 1.100 y 1.800 msnm, con temperaturas que oscilan entre los 17 y los 23°C. Durante muchos años, Colombia ha dado un valor agregado a su café siguiendo un proceso semindustrial llamado beneficio de café, el cual es determinante en la producción del grano y ha garantizado en el transcurso del tiempo la calidad, ya que el 80% de los defectos que se presentan en el grano pueden ocurrir debido a inconvenientes en el proceso. Los pequeños caficultores realizan el beneficio del café en sus propias parcelas con la ayuda de sus familias y no recurren a particulares para que efectúen el 2 proceso y por lo general cuentan con una infraestructura simple (Aristizábal y Duque, 2005). Para obtener una óptima calidad en el café procesado, es necesario que los desarrollos de las tareas para la producción de café tengan el mejor tratamiento, estas tareas son: recolección, despulpado, fermentación, lavado, tostado y molienda. En la fermentación y el lavado del café es donde se originan los elementos contaminantes, generados por los residuos sólidos de materia orgánica del despulpado. Estos se sitúan cerca a los lugares en donde se realiza el beneficio del café, la degradación progresiva de esta materia orgánica produce una presencia constante de insectos y malos olores a escala local, por otro lado, la contaminación directa del recurso hídrico con el agua utilizada para el lavado del café presenta las siguientes características que dan efectos negativos al ambiente: 1. El elevado uso de agua en el lavado del café, es una actividad que consume 5 litros por kilogramo de café procesado, como mínimo. Esto sin la aplicación de técnicas que permitan el ahorro del agua en este proceso. 2. La cantidad de materia orgánica que se presenta en el agua de lavado, cuyo valor tiende a ser de aproximadamente de 9000 mg/L de DBO5 según (Real & Islas, 2010). Estas aguas generadas en el proceso de lavado cuentan con nivel elevado de azúcares y materia orgánica que se desprende del mucilago del café, estos afectan al recurso

3

hídrico cuando son vertidos de forma directa, produciendo una disminución del oxígeno disuelto y un aumento de la materia orgánica presente en los cuerpos de agua acrecentando la demanda biológica de oxígeno. El agua que es contaminada por el lavado de café puede llegar a ser usada para el consumo humano, aguas abajo de donde se realizó el vertimiento, la población es directamente afectada ya que en la mayoría de los casos no se conoce el origen de las aguas que se utiliza. Este vertimiento periódico puede causar secuelas perjudiciales en la salud de la población afectando su calidad de vida. (ANACAFE, 2015). Hoy día se han planteado tratamientos poco eficientes respecto a la capacidad de procesamiento que tienen ya que así sean para un terreno con una producción de café relativamente pequeña el volumen de consumo de agua es elevado, siendo uno de los principales inconvenientes; entonces un determinado volumen de agua residual por el tiempo que tarda el proceso incrementa el costo en cuanto a la capacidad de almacenamiento por tanto es necesario realizar el tratamiento en el menor tiempo posible. Por ende, es necesario buscar alternativas que promuevan el tratamiento de aguas residuales que brinden soluciones económicamente viables para su aplicación y así disminuir la capacidad contaminante del proceso de desmucilaginacion y lavado que se tiene sobre el recurso hídrico. Es por esto que se pretenden implementar los conocimientos en ingeniería mecánica relacionados con el uso, transporte del calor y análisis térmico para el diseño de un sistema que permita tratar las aguas residuales provenientes de la desmucilaginación del café de manera óptima y eficiente.

Justificación

4

El agua como recurso no renovable a corto plazo es uno de los componentes ambientales más estudiados en el país y constituye una máxima preocupación para los entes de control a nivel de lo público y en algunos casos en lo privado. Diferentes prácticas agrícolas e industriales contaminan el recurso de una manera donde no se contempla el tratamiento de mitigación del daño causado a los afluentes locales y regionales donde actúan los vertimientos que aportan diversas sustancias de carácter tóxico alcanzando niveles de concentración nocivos para los ecosistemas donde interactúan, como en este caso de la materia orgánica, azucares, antioxidantes, flavoniodes, sólidos sedimentables y disueltos; siendo estos, los desechos generados por la actividad típica del proceso de despulpado y la desmucilaginacion del grano de café, los cuales son conocidos como etapas del proceso del beneficio del café Este trabajo surge por la preocupación ante los efectos nocivos de la contaminación del recurso hídrico y la importancia de su tratamiento en aguas residuales generadas en las diferentes etapas dentro del beneficio del café, que actualmente no se realiza ocasionando un daño ecológico y ambiental. El trabajo aquí planteado aporta una alternativa sostenible en términos energéticos, ya que al diseñar un sistema de tratamiento para las aguas residuales a partir de un sistema térmico como lo es el evaporador al vacío permitirá tener acceso al conocimiento de la cantidad de agua que es posible tratar. Adentrarse a nuevas formas de implementación de este sistema otorgara una forma de mitigar uno de los principales problemas que se presentan en el proceso de producción del café, cumpliendo con la misión de la ingeniería mecánica en la que afirma la promoción de una cultura orientada al aprovechamiento racional de la energía y la conservación de los recursos naturales.

5

OBJETIVOS Objetivo general Diseño de un prototipo de evaporador al vacío para la depuración de aguas residuales provenientes de la desmucilaginación del café. Objetivos específicos ● Analizar estudios de tratamientos de aguas residuales generadas por el lavado del café. ● Identificar los componentes óptimos del sistema de evaporador al vacío para que cumpla con los requerimientos y especificaciones del producto a tratar. ● Modelar la máquina térmica utilizando la herramienta computacional Solidworks. ● Evaluar económica y técnicamente el sistema de tratamiento propuesto para las aguas residuales. ● Determinar los posibles usos del agua tratada.

6

MARCO TEÓRICO Antecedentes de la investigación Dentro de la revisión de fuentes bibliográficas para este proyecto, se encuentra una serie de información que se plasma a continuación y que a su vez le da soporte a esta investigación, brindándole al lector la posibilidad de revisar el contenido y veracidad del material. Se presentan artículos internacionales, nacionales y regionales. Antecedentes Internacionales Seguidamente, se presentan diferentes trabajos de grado que le brindaron a los autores aportes en los temas de tipo: sistemas de tratamiento de agua residuales partiendo de procesos anaeróbicos y evidenciando los componentes de los efluentes de las plantas. Evaluación de un Sistema de tratamiento de aguas residuales de pre beneficiado de café (coffea arábica) implementado en la comunidad Carmen Pampa provincia Nor Yungas del departamento de La Paz, Bolivia. El presente trabajo de investigación se realizó en la planta pre beneficiado del café de la UACCP, ubicada en la comunidad de Carmen Pampa, municipio Coroico, Nor Yungas del departamento de La Paz. El objetivo fue determinar la eficiencia del sistema de tratamiento de aguas residuales del pre beneficiado de café, debido a que no se conoce su efectividad en reducir el nivel de contaminación de las aguas residuales tratadas; y en función a los resultados corregir y/o validar directamente el modelo de sistema implementado. Para su estudio se establecieron siete puntos de muestreo dentro del sistema de tratamiento y se efectuaron cuatro repeticiones en distintas fechas y con diferentes cantidades de café guindo. Se evaluaron los parámetros de temperatura, pH, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos totales, fijos y volátiles, demanda bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno y oxígeno disuelto.

7

Este artículo de investigación le ofrece a este proyecto una evidencia de la forma como se debe tener en cuenta la eficiencia del sistema de tratamiento de aguas residuales del pre beneficiado del café, lo anterior se da inicio a partir de la variación de parámetros de temperatura, sólidos sedimentables, sólidos suspendidos totales, fijos y volátiles, demanda química de oxígeno y oxígeno disuelto; las variables mencionadas son importantes con relación a la composición química de los agentes contaminantes que se encuentran interviniendo en el sistema y que permiten que la planta aproveche de manera eficiente. Todo lo anterior se encuentra bajo la Ley 1333 en donde se manifiesta todo lo relacionado con el procedimiento sancionatorio ambiental y se dictan otras disposiciones para las garantías de un medio ambiente confortable. Tratamiento anaeróbico de las aguas residuales del café en Matagalpa, Nicaragua. Durante el procesamiento húmedo del café se pueden distinguir dos flujos de aguas residuales: agua de despulpado y agua de lavado (que contiene los residuos de la fermentación. Las investigaciones se iniciaron en el año de 1985, con la evaluación de la factibilidad técnica de los diferentes métodos de depuración de aguas residuales para su aplicación en la industria cafetalera. Se evaluó la efectividad de las aguas anaerobias, y se hicieron ensayos con el proceso UASB (Up-stream Anaerobic Sludge Blanket). Después de tres años de experimentar a escala de laboratorio se construyó en 1988 el filtro anaeróbico "híbrido" en la finca "Los Alpes", con un volumen total vacío de 35 m cúbicos, de los cuales 12,3 m cúbicos están ocupados por un material de empaque (piedra lava). Este trabajo se relaciona con la investigación en curso, ya que propone una forma de sistema de tratamiento de aguas residuales que se denomina tratamiento anaeróbico en donde son microorganismos los que realizan la limpieza de la planta de tratamiento y donde intervienen condiciones del proceso como lo son pH, temperatura y nutrientes necesarias para la reproducción de estas bacterias. Es así como se muestra la manera como se deben atender estos seres microscópicos que así como benefician

8

a la planta en gran manera, también generan unos problemas a nivel de sostenimiento de los mismos. Combined biological and chemical assessment of estrogenic activities in wasterwater plant effluents. Se analizaron cinco efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales para detectar alteradores endocrinos conocidos y estrogenicidad. La estrogenicidad se determinó mediante el uso de la pantalla de estrógeno de levadura (SÍ) y la medición de las concentraciones de vitelogenina (VTG) en el plasma sanguíneo en la trucha arco iris macho expuesta (Oncorhynchus mykiss). Si bien todos los efluentes de la planta de tratamiento de aguas residuales contenían concentraciones medibles de estrógenos y dieron una respuesta positiva con el SÍ, solo en dos sitios los peces machos aumentaron significativamente las concentraciones plasmáticas de VTG en la sangre después de la exposición, en comparación con las concentraciones previas a la exposición. Las concentraciones de estrona (E1) oscilaron hasta 51 ng L − 1, estradiol (E2) hasta 6 ng L − 1, y etinilestradiol (EE2) hasta 2 ng L − 1 en las 90 muestras analizadas. Los alquilfenoles, los alquilfenolmonoetoxilatos y los alquilfenoldietoxilatos, aunque se encontraron en concentraciones de µg L-1 en los efluentes de plantas de tratamiento de aguas residuales con un contenido industrial significativo, no contribuyeron mucho a la estrogenicidad general de las muestras tomadas debido a su baja potencia relativa. Este artículo de investigación le otorga a este proyecto pautas suficientes en los aspectos que hacen referencia a la adición de concentraciones y las potencias de los diversos productos químicos, todo esto está relacionado con la estrogenidad de las plantas de tratamiento de aguas residuales.

9

An integrated treatment system for coffee processing waster using anaerobic and aerobic process. El experimento se realizó para desarrollar un sistema de tratamiento integrado para el tratamiento de aguas residuales de café (CPWW) a través de la combinación de biometanación con aireación y tratamiento de plantas de humedales. La biometanización se llevó a cabo en diferentes tiempos de retención hidráulica (TRH) utilizando flujo anaeróbico ascendente se encontró que el reactor híbrido (UAHR) y 18 h de HRT eran óptimos. El máximo oxígeno bioquímico. Esta investigación presenta varios factores que aportaran al desarrollo de este proyecto; en estos se incluye la combinación de biometanación con aireación y tratamiento de plantas de humedales todo esto variando la cantidad de porcentaje en la demanda biológica de oxigeno DBO, demanda química de oxigeno DQO entre otros, todo esto para conocer el comportamiento del tratamiento que se le esté realizando en el momento a la planta. Digestión anaerobia en dos fases de las aguas residuales del beneficiado húmedo de café: el efecto de la recirculación en el funcionamiento del proceso anaerobio El presente trabajo muestra los resultados de la evaluación de la digestión anaerobia en dos fases para el tratamiento de las aguas residuales del beneficiado húmedo de café. Se estudió el efecto de la recirculación en el proceso de digestión anaerobia. Fueron evaluados dos valores de cargas orgánicas volumétricas (COV) generales de 4,2 y 5,7 kgCOD·m-3·d-1, con los mismos tiempos de retención hidráulica (TRH) generales de 21,5 horas. En el sistema en dos fases fueron aplicadas dos tasas de recirculación de 0,4 y 1,0, del efluente de un reactor híbrido metanogénico UASB-UAF hacia un reactor acidogénico UASB. Por su parte, este artículo de investigación le da a este proyecto ítems con relación al efecto de la recirculación en el proceso de digestión anaerobia, en donde se especifica la forma como se

10

debe variar los volúmenes de carga del sistema, esto nos será de utilidad al momento de decidir la forma de intervenir en el diseño, especialmente en la capacidad en metros cúbicos que se requieran para el sistema de tratamiento de agua residual toda esta proveniente del proceso de desmucilaginacion del café.

Antecedentes Nacionales En esta sección se evidenciará que tan desarrollado esta este tema a nivel nacional, información que brindara soporte a la investigación en términos de eficiencias que se manejan en los procesos de remoción de DBO5 en sedimentadores y lechos filtrantes que se encuentran en las plantas de tratamiento de aguas residuales provenientes del proceso del café (desmucilaginacion). Eficiencia de remoción de DBO5 en sedimentador y lecho filtrante para el tratamiento de aguas residuales del beneficio del café. Para evaluar las condiciones de operación de los sistemas de tratamiento de aguas residuales que utilizan los pequeños caficultores del sur del Huila, se construyó un prototipo a escala de laboratorio (E 1:25) compuesto por un sedimentador y un filtro dispuestos en serie, simulando el mismo tipo de sistema y condiciones operacionales utilizados por los productores del grano. Se realizó tratamiento a muestras de aguas residuales de lavado del café, a fin de evaluar eficiencias de remoción en DBO5 y Sólidos Suspendidos (SS). Se utilizó un diseño experimental 2 a 3, en el que se definieron como factores el tipo de filtro, el tipo de sedimentador y el tiempo de retención hidráulica y como variable respuesta remoción expresada en porcentaje. Este artículo de investigación brinda la posibilidad de conocer la utilización de los sedimentadores en una planta de tratamiento, a su vez otorga el conocimiento de las variables

11

operacionales para la realización, en este caso, de la demanda química de oxigeno DBQ5 en las partes donde intervienen los lechos filtrantes y los sedimentadores. Estudio de un biosistema integrado para el postratamiento de las aguas residuales del café utilizando macrófitas acuáticas El objetivo principal de la presente investigación es la generación de la información necesaria para el diseño de un biosistema integrado que utilice macrófitas para el postratamiento de las aguas mieles del café, buscando que sus efluentes generen el menor impacto negativo posible sobre el ecosistema acuático cafetero, presentando alternativas viables, desde el punto de vista técnico, económico, ambiental y social, para la adecuada disposición de la biomasa generada durante el proceso de depuración. En la búsqueda del diseño para un biosistema integrado que utilice macrófitas para el pos tratamiento de las aguas mieles del café está ofreció información a este proyecto en dos aspectos, el primero la manera como se les da salida a los efluentes para que estos no generen una afectación propia al ecosistema en donde se esté realizando el tratamiento del agua residual proveniente del café, el segundo va encaminado a la disposición de la biomasa generada durante el proceso de depuración y como esta presenta cualidades para ser utilizada en otros procesos industriales. Optimización Multiobjetivo del Proceso Fenton en el Tratamiento de Aguas Residuales provenientes de la Producción de Café Soluble. Se evaluó el proceso Fenton en el tratamiento de las aguas residuales provenientes de una industria de café soluble colombiana. Se utilizó un diseño experimental del tipo Box-Behnken y la metodología de la superficie de respuesta para determinar los valores de los parámetros operativos que permiten alcanzar la más alta reducción de la demanda química de oxígeno (DQO) y/o del color. Los valores máximos alcanzados fueron de 80.5% y 85.3%,

12

respectivamente. Utilizando una evaluación económica y la metodología de la deseabilidad global, se encontraron las condiciones operativas ideales para cumplir tanto con la restricción ambiental de la DQO de la legislación colombiana como con los mínimos costos operacionales. Con base a los resultados del estudio, se pudo concluir que el proceso Fenton puede constituirse en una alternativa completa o configurarse como una etapa adicional dentro de un esquema de tratamiento de aguas residuales de la industria del café soluble. Este artículo de investigación da información precisa con tratamiento de información relacionada con el método de oxidación conocida como Fenton, que beneficia a la investigación evidentemente en los conocimientos químicos que se presentan en el proceso del tratamiento del agua residual. Además, muestra la metodología de la superficie de respuesta, donde es esta, una alternativa para implementarse en el proyecto, en todo lo relacionado con el manifiesto de datos y su transformación a información valiosa. Antecedentes regionales Las publicaciones que se han realizado en torno a este tema a nivel regional son escasas, sin embargo, a continuación, se evidencia artículos que contribuyen a esta investigación en temas como: lodos generados en las plantas de tratamiento de aguas residuales y biosistemas integrados para el pos tratamiento de las aguas residuales del café. Diseño y construcción de un sistema de tratamiento de aguas residuales utilizando un evaporador al vacío con bomba de calor. El artículo trata de la validación del aprovechamiento de lodos generados en plantas de tratamiento de aguas residuales tipo UASB, como insumo de recuperadores de suelos agrícolas, a partir de compostación. En primer término, se presenta el marco legal que rige actualmente el manejo y aprovechamiento de biosólidos. En segundo lugar, se describe el proceso de generación de lodos en una PTAR tipo UASB y las condiciones de salida de esos lodos

13

generados. En otro apartado se explicita el proceso de compostación estandarizado para residuos orgánicos; y finalmente se exponen las pruebas de laboratorio y legales necesarias para garantizar la inocuidad del lodo y su uso en procesos agrícolas. El compostaje es hoy por hoy una de las materias primas más utilizadas en la generación de energía, es por esto que este artículo científico manifiesta su interés en el aprovechamiento de los lodos provenientes de las plantas de tratamiento de aguas residuales tipo UASB, los cuales son llevados a las parcelas y utilizados como insumo recuperador de suelos y es ahí mismo donde genera interés para este proyecto, buscando la forma adecuada para darle solución a los lodos provenientes de la planta de tratamiento que se requiere.

14

REFERENTES TEÓRICOS HISTORIA DEL CAFE Las plantas de café son originarias de la antigua ETIOPIA en la República de Yemen. Es fácil confundirse con el origen verdadero del café, ya que antiguas leyendas sobre el cultivo y la costumbre de tomar café provienen de Arabia. La más fuerte y aceptada de las leyendas acerca del descubrimiento del café y la bebida del café es la que hace referencia a un pastor llamado Kaldi. La leyenda dice que Kaldi se dio cuenta del extraño comportamiento de sus cabras después de que habían comido la fruta y las hojas de cierto arbusto. Las cabras estaban saltando alrededor muy excitadas y llenas de energía. El arbusto del que Kaldi pensó que sus cabras habían comido las frutas tenía como frutas parecidas a las cerezas. Entonces Kaldi decidió probar las hojas del arbusto y un rato después se sintió lleno de energía. Kaldi después llevó algunos frutos y ramas de ese arbusto a un monasterio. Allí le contó al Abad la historia de las cabras y de cómo se había sentido después de haber comido las hojas. El Abad decidió cocinar las ramas y las cerezas; el resultado fue una bebida muy amarga que él tiró de inmediato al fuego. Cuando las cerezas cayeron en las brazas empezaron a hervir, las arvejas verdes que tenían en su interior produjeron un delicioso aroma que hicieron que el Abad pensara en hacer una bebida basada en el café tostado, y es así como la bebida del café nace. Los árabes fueron los primeros en descubrir las virtudes y las posibilidades económicas del café. Esto fue porque desarrollaron todo el proceso de cultivo y procesamiento del café y lo

15

guardaron como un secreto. Los árabes también trataron de evitar la extradición de cualquier semilla de café. El café comenzó a conquistar territorio en el mundo como la bebida favorita en Europa, y llegó a Italia en 1645 cortesía del comerciante Veneciano Pietro Della Valle. Inglaterra comenzó a tomar café en 1650 gracias al comerciante Daniel Edwards, quien fue el primero que abrió un establecimiento de venta de café en Inglaterra y en Europa. El café llegó a Francia a través del Puerto de Marsella, pero solamente en grano. En 1660 algunos comerciantes de ese puerto quienes sabían del café, sus atributos y efectos por sus viajes alrededor del mundo, decidieron llevar unos cuantos sacos desde Egipto y por 1661 la primera tienda de café fue abierta en Marsella. La primera planta de café de Francia fue comprada por un miembro del ejército holandés. La planta fue dada al rey Luis XIV en la ciudad de Marly en 1712. Desde Marly la planta fue enviada a París donde prosperó y produjo unos pocos granos, pero pronto murió. Luego de conseguir más plantas y bajo una cuidadosa supervisión, la planta de café creció. Después el cuidado de la planta fue dado al Jardín Botánico de París bajo el cuidado del Dr. Chirac. En 1723, el Dr. Chirac dio una de las plantas a un miembro del ejército francés, Gabriel de Clieux para que la llevara a las colonias francesas en América, específicamente a la isla de Martinica. El café creció bien en Martinica y tan pronto como los registros pueden decir todo el café creció en toda América originado de la planta llevada por Gabriel de Clieux. Los principales mercados internacionales de café son: Canadá, Estados Unidos, Alemania, Bélgica, Luxemburgo, Jamaica, Italia, Rumania, Japón y Holanda. El Salvador exporta a estos países la producción de café, y se concluye que este es y seguirá siendo una importante fuente de divisas que sustenta la economía nacional. Por lo que se justifica efectuar estudios técnicos

16

para introducir cambios en el proceso de beneficiado, con el objeto de minimizar el consumo de agua, evitando así la contaminación de las aguas superficiales y del medio ambiente en general. Datos Técnicos del Café Familia Rubiaceae (Rubiácea). Nombre científico Coffea arabica L. Nombre común en inglés coffee, arabicu coffee. El fruto madura entre los meses de Octubre y Marzo, durante los cuales su color cambia de verde a amarillo y finalmente al rojo intenso; época en la cual se realiza su recolección y beneficiado. Las partes de que consta son: a) Epicarpio, exocarpio o pulpa b) Disco c) Mesocarpio o mucílago d) Endocarpio o pergamino e) Tegumento seminal, espodermo o perispermo (película plateada) f) Endospermo, Almendra o grano oro g) Embrión

17

Figura 1. Corte esquemático del grano del café.

Tabla 1. Componentes y promedios del café COMPONENTE

PROMEDIO

Agua

9-12

Cenizas

4

Nitrógeno

12

Celulosa

24

Azúcar

9

Dextrinas

1-15

Grasas

12

ácido cafetanico

8-9

Cafeína

0.7-1.3

Extracto sin nitrógeno

18

18

Aceite esencial

0.7

Teofilina

Trazas

Teobromina

Trazas

Nota: Rangos de valores para los porcentajes de los componentes del café. Descripción botánica: Arbusto: leñoso, hasta de 7 m de altura. Tallo: delgado y recto. Hojas: perennes, opuestas, lanceoladas. Flores: sésiles, infundibuliformes, blancas, fragantes, reunidas en racimos axialares. Fruto: globoso, semilla ovalada, cóncavas de un lado con un surco longitudinal en el centro. Origen y otros aspectos: originario de Etiopía en África. Se cultiva en muchos países tropicales, principalmente en Suramérica. Gracias a su agradable aroma y sabor, se consume en forma masiva como bebida estimulante. Usos en medicina tradicional: es tomado como bebida estimulante para facilitar el trabajo mental, vigorizar y activar el sistema nervioso. Se usa como diurético, tónico, febrífugo, vasodilatador, digestivo, antidiarreico, antinarcótico, antiemético, astringente, tónico de las encías, también se dice que disminuye la somnolencia producida por la fiebre tifoidea. El café carbonizado y pulverizado, en dosis de una cucharadita por día, se usa para curar de la apendicitis. Composición química: cafeína (1 a 1,3 %), taninos, ácido clorogénico, grasas, azúcares, pentosanos y otras sustancias. Propiedades de algunos compuestos de la bebida de café comprobadas científicamente: la cafeína aumenta el efecto del paracetamol y de la aspirina y produce una sensación de bienestar. La trigonelina actúa en el tratamiento de enfermedades hepáticas. El ácido benzoico es antiséptico, expectorante, analgésico, antitérmico y antinflamatorio, propiedad en la que presenta una actividad similar a los salicilatos. El ácido

19

ferúlico es analgésico, antiagregante plaquetario, antidismenorreico y antiespasmódico. El salicilato de metilo es 44 analgésico, antitérmico y antinflamatonio. El ácido cafeico es antiséptico. El quercetol o quercetina es antihemorrágico y antiagregante plaquetario. Como antiagregante plaquetario inhibe el metabolismo del ácido araquidónico y estimula la secreción de prostacidinas las cuales son los más potentes antiagregantes secretados por el endotelio vascular, estimula la adenilcidasa e incrementan los niveles de AMPc; se produce así una actividad antiagregante plaquetaria, pero al mismo tiempo es tóxico, muestra actividad cronotropo, antiarritmica y antiviral. Es antinflamatorio, antialérgico, antiherpético, antioxidante, protector capilar, hipotensor, relajante del músculo liso y antidiarreico. El kaempferol es antihipertensivo. La escopoletina es cronotropo negativo e hipotensor. El ácido clorogénico es estimulante, expectorante, diurético, colerético, antihepatotóxico. La cafeína, la teofilina y la teobromina son relajantes del músculo liso bronquial y resultan beneficiosas en la evolución de las neumopatías, asma bronquial y tos. Investigaciones realizadas entre 1985 y 1992 en el Hospital Universitario de Copenhague, Dinamarca, demostraron que los consumidores de más de nueve tazas diarias de café corren menos riesgos de afecciones cardíacas que los que consumen de una a cuatro tazas. Estas investigaciones comprueban el poder diurético y reductor del café, posiblemente debido a la cafeína que contiene. Generalidades del Proceso de Beneficiado del Café Se conocen dos métodos para el beneficiado de café: método seco y método húmedo; siendo el más usado en la actualidad el segundo. Luego que el café cereza es recibido en los beneficios, este es clasificado para que los frutos de más alta calidad sean transportados hacia el proceso de Beneficiado por cualquiera de los

20

dos métodos. Después del proceso, el café oro se vuelve a clasificar para ser almacenado y luego tostado para la venta a nivel mundial. Luego que el café cereza es recibido en los beneficios, este es clasificado para que los frutos de más alta calidad sean transportados hacia el proceso de Beneficiado por cualquiera de los dos métodos. Después del proceso, el café oro se vuelve a clasificar para ser almacenado y luego tostado para la venta a nivel mundial. Beneficiado Húmedo El beneficiado húmedo es más costoso y requiere más instalaciones, equipo, maquinaria y conocimiento que el método seco; pero el producto que se obtiene por método húmedo es de calidad muy superior. Su principal requerimiento es un abundante abastecimiento de agua y de preferencia el beneficio se instala en un nivel tan bajo como sea conveniente a fin de eliminar el costo del bombeo del agua. Por medio del proceso de beneficiado húmedo se obtiene una calidad excelente del café y mejor precio de venta. Los principales usos del agua en el beneficiado del café son: a) Transporte hacia los pulperos b) Transporte de la pulpa hacia fuera del beneficio c) Transporte de los granos hacia las pilas de fermentación d) Lavado del café fermentado e) Otras operaciones como separación de los flotes, separación de piedras, clasificación hidráulica de los granos y funcionamiento de calderas. Aproximadamente un 30% del agua utilizada en un día se emplea en despulpar el fruto y en transportarlo. El 70% restante se emplea en el lavado del café fermentado (agua de lavado), y resulta cargado de las sustancias provenientes de la degradación de la pectina, principalmente el mucílago.

21

El uso del agua implica su recirculación hasta que alcanza cierta proporción de sólidos cuando se diluye con agua limpia desechando así su volumen equivalente. Estas partes de las aguas de desecho se denominan aguas mieles, y presentan un color pardo rojizo y contiene la mayor parte de las sustancias solubles de la pulpa y el mucílago. Las etapas del beneficiado húmedo de café son: a) Despulpe b) Fermentación o Desmucílaginado c) Secado d) Trilla e) Clasificación f) Escogida a) Despulpe Luego del recibimiento, el café cereza es almacenado en pilas o tanques donde permanece toda una noche y comienza a ser procesado en la mañana del día siguiente. Dicho café, tiene ya de 14 a 20 horas de haber sido colectado del árbol. Esta operación lleva como propósito, la remoción de las partículas blandas del grano de café maduro, que son la pulpa y cierta parte del mucílago, para lo cual requiere el empleo de agua como conductor mecánico de estas partes. Esta operación requiere el empleo de máquinas, llamadas pulperos; existiendo las llamadas de repaso en donde la remoción de la pulpa es total. La pulpa es el desecho que potencialmente causa más contaminación, por su alto contenido orgánico, pero con un buen tratamiento tienen usos como fertilizante, obtención de biogás etc. Cuando la pulpa se almacena en sitios abiertos, permite el desarrollo de moscas y otros insectos b) Fermentación el objetivo de esta etapa, es el de remover y convertir el mucílago, que es la materia insoluble y gelatinosa que recubre el grano de café; en un producto soluble

22

en agua, que facilita la remoción del grano.El grano cubierto de mucílago es depositado en pilas de fermentación, las cuales generalmente son hechas de ladrillo. Este paso es el más delicado y tiene mucha influencia sobre la apariencia, calidad y precio del producto final. El tiempo que dura la fermentación en la mayoría de los casos depende de varios factores ambientales, pudiendo ser mayores que 20 horas. La fermentación transforma el mucílago de un hidrogel a un hidrosol, el cual es fácilmente eliminado mediante lavado con agua. c) Secado por lo general esta operación se lleva a cabo en patios de secado, mediante exposición solar. Aproximadamente se requiere un área de 7 a 11 metros cuadrados de patio para secar 100 kg de café oro y un promedio de 13 días para alcanzar la humedad media del 13%, sin embargo, estos datos dependen de la cantidad de aire y sol que reciba el café, así como el espesor de la capa de café en los patios. Este proceso puede acelerarse con el uso de máquinas pre secadoras y secadoras. Con esta operación el grano de café pierde humedad y afloja la última cubierta llamada Pergamino. d) Trilla en este paso se desprende el pergamino mediante una máquina similar a los despulpadores y en las que el grano es friccionado para remover el pergamino. Este puede utilizarse como combustible en las secadoras. 51 El pergamino es celulosa pura y no causa problemas sanitarios o ambientales.17 Clasificación: se realiza con el grano trillado y se basa en forma, tamaño, peso, color e integridad del grano; separando diferentes cualidades la cual implica diferentes precios Beneficiado Seco El beneficiado seco se practica en lugares donde el agua es muy escasa o en áreas subdesarrolladas donde se cultiva el producto en forma extensiva y la calidad no es muy considerada.

23

Mediante este procedimiento se obtienen los llamados cafés “naturales”, “fuertes” o “corrientes”, considerados de inferior calidad que los anteriores. El beneficio seco es el proceso industrial mediante el cual a partir del café cereza se obtiene el café oro. En este sistema, se exponen los granos de café cerezas recolectados a la acción del sol, durante varios días, hasta que se seca (bola seca). Luego el café a preparar, se deposita en una tolva que alimenta a las zarandas de limpieza previa, para la separación de tierra, piedras, palos, metales, etc. El café oro, se envasa en sacos de yute, para almacenarse acomodados en estibas, montados en tarimas de madera. Los almacenes mantienen una humedad relativa del 55 al 60 por ciento, a temperaturas de entre 22 y 30 grados centígrados.

Figura 3. Proceso productivo del beneficiado del café. Contaminantes en las Aguas de Lavado del Café y la Pulpa Existe un gran número de beneficios húmedos del café, que originan gran cantidad de desechos sólidos (pulpa pergamino) y de desechos líquidos (aguas de despulpado y aguas mieles), cuya disposición adecuada o no siempre ha sido motivo de polémica.

24

Estos desechos son causantes de alteraciones en el medio ambiente, con repercusiones en la salud de las personas que habitan los sitios aledaños en donde son dispuestos, como proliferación de insectos, malos olores y mal aspecto paisajístico. Se considera que la contaminación por estos desechos se pudiera evitar en parte, si se les diera aplicaciones de uso como subproductos, y no tratarlos como algo que ya no se puede utilizar. Las características de los desechos varían de un beneficio a otro, así como también dependen del periodo en que se analicen. Los resultados son influidos en forma significativa por la cantidad de agua que se utiliza para el beneficiado total; lo cual sugiere que las alternativas de solución del problema deben adecuarse a las condiciones de cada beneficio. Cada beneficio emplea diferentes cantidades de agua para el lavado de una unidad de peso, pero sin embargo se puede considerar una media de 9 m 3 de agua por cada 100 kg de café cereza. La temporada de beneficiado coincide con la estación seca; es decir la época de caudales mínimos en los ríos, baja capacidad de dilución de los mismos y de mayor demanda de aguas para riego. Como resultado de todas las etapas de la fase húmeda; grandes volúmenes de agua contaminada son vertidas a los ríos y quebradas por los beneficios de café, lo cual provoca altas contaminaciones y degradación del ambiente.

Consecuencias del Vertido de las Aguas Residuales del Beneficiado de Café a los Cuerpos Receptores. Como se analizó anteriormente el agua residual de los beneficios de café contiene altas cantidades de materia orgánica que al ser vertidas a los cuerpos receptores implica las siguientes consecuencias:

25

● Aumento de la Demanda Bioquímica de Oxígeno en el Agua: Debido a la diversa y gran población de microorganismos que necesitan oxígeno para vivir, reproducirse y degradar la materia orgánica, ●

Disminución del Oxígeno Disuelto en el Agua: Debido a que los millones de microorganismos presentes en el agua consumen grandes cantidades de oxígeno para degradar la materia orgánica.

● Disminución del pH en el Agua: La acidez del agua de despulpe, altera el pH de los cuerpos receptores, acidificando el agua de estos, cuyo hábitat se ve sensiblemente afectado a los cambios de pH. ● Alto Consumo de Agua regularmente proveniente de una fuente o cuerpo receptor cercano: Los beneficios de café, para ahorrar costos, siempre están ubicados cerca de una fuente perenne de agua, en la época de beneficiado, estos consumen enormes cantidades de agua provenientes de estos, haciendo que el caudal disminuya considerablemente. ● Acidificación del Suelo Aledaño a los Cuerpos Receptores: El agua residual al ser vertida a los cuerpos receptores o a terrenos, disminuye sus 61 nutrientes naturales y sus cualidades reproductivas. Las hojas de los árboles y arbustos se queman, y los tallos presentan grosores inadecuados. ● Afectaciones a la Flora y Fauna Acuática: Por falta de oxígeno y el cambio de pH en el agua, la muerte de los peces es inminente, así como de las plantas acuáticas. ● Erosión Potencial Debido a Cárcavas: El aumento repentino del caudal por efecto de los vertidos, hace que en los terrenos, ríos o quebradas causen erosión en estos. Modificaciones en el Paisaje Acuático y Terrestre: Por falta de OD en el agua, las proliferaciones de bacterias anaerobias hacen que el agua se descomponga rápidamente,

26

y cuando es vertida en terrenos o quebradas el efecto de la erosión y los charcos de agua con sedimentos dejan un mal aspecto al paisaje natural. ● Aumento Exagerado de Sólidos en Suspensión en el Agua: Debido a la elevada cantidad de materia orgánica flotante en el agua, esta se va azolvando y volviendo turbia, restándole belleza paisajística a los cuerpos receptores. ●

Imposibilidad del Uso del Agua para Consumo Humano y Animal: Por todos los factores mencionados anteriormente, es imposible el uso del agua, ni para consumo animal y mucho menos para consumo humano. Por lo que el cuerpo receptor se convierte en un enorme charco, producto de la contaminación.

Tratamiento de las aguas residuales El tratamiento y/o depuración de las aguas residuales es necesario para evitar los efectos negativos de la contaminación de estas a los cauces receptores donde terminan finalmente. Los principales efectos negativos son: ● La disminución de la calidad del agua para el abastecimiento de la población, para uso industrial y/o para uso agrario. ● La disminución de los recursos hídricos disponibles, ya que es un recurso natural renovable pero limitado. ● La alteración de la capacidad de autodepuración de los cauces receptores. ● Destrucción de la fauna y flora de los cauces receptores. ● Peligro para la salud pública. ● Contaminación atmosférica. El objetivo de tratar las aguas residuales es cumplir con las condiciones mínimas exigidas según la normativa vigente para su descarga, o antes de un tratamiento secundario.

27

El principio bajo el cual actualmente se realiza el tratamiento de las aguas residuales urbanas es tratar estas en una PTAR (Planta de tratamiento de aguas residuales) y dejar que la naturaleza finalice el proceso, ya que el agua tiene una capacidad de autodepuración en los cuerpos de agua receptores. Es importante distinguir el tratamiento de aguas residuales del proceso de potabilización del agua, ya que aunque pueden tener algunos puntos en común la calidad del agua debe cumplir con unos estándares muy superiores con el fin de que sea apta para el consumo humano. Existen diversos tipos de tratamiento de aguas residuales, en el cual cad auno presenta una serie de ventajas y/o desventajas. Sin embargo se puede considerar que todos los tratamientos comparten un paso común, el cual es la separación física de sólidos grandes de la masa de agua a tratar. Los tratamientos de aguas residuales se pueden clasificar de diversas formas, entre las que se destacan: ● Según el grado de refinamiento. ●

Según el tipo de proceso.

Antes de introducirnos en los diversos tratamientos de aguas residuales, es importante conocer cuáles son los tipos de contaminantes a los que se ven sometidas estas. Tipos de contaminantes Los agentes contaminantes presentes en las aguas residuales tanto residenciales como industriales se suelen clasificar en contaminantes orgánicos, inorgánicos y otros contaminantes; cada uno de estos con una serie de características que permite su fácil diferenciación. Contaminantes orgánicos

28

Su estructura química está compuesta principalmente por carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno. Estos son los contaminantes principales en las aguas residuales domésticas y de las industriales basadas en la industria agroalimenticia. La principal característica de estos contaminantes es que mientras se encuentren en una concentración baja pueden ser descompuestos por bacterias aeróbicas (proceso en el cual hay consumo de oxígeno), sin embargo, si la concentración es muy alta las bacterias terminan agotando el oxígeno del agua, volviendo esta no apta para que algunos seres del ecosistema vivan, es decir terminan contaminándola aún más. Algunos índices que permiten medir la calidad del agua por este tipo de contaminantes son: ● Oxígeno disuelto (OD) ● Demanda bioquímica de oxígeno (DBO) Los contaminantes orgánicos a su vez se pueden clasificar en: Proteínas: Proceden de heces humanas o desechos de productos alimenticios, son biodegradables y suelen producir malos olores durante su descomposición. Carbohidratos: También proceden de heces humanas o desechos de productos alimenticios, son biodegradables e incluyen azúcares y almidones. Aceites y grasas: Debido a su naturaleza no son miscibles con el agua, por ende permanecerán en la superficie de la misma ocasionando la aparición de espumas y/o natas. En su mayoría proceden de desperdicios alimenticios o de la industria (aceites minerales). Estas espumas y/o natas dificultan cualquier tratamiento físico o químico, por lo cual suelen eliminarse en los primeros pasos junto con la separación de sólidos grandes Contaminantes inorgánicos

29

Su procedencia generalmente es de origen mineral y su naturaleza es muy variada, por ejemplo, ácidos, bases inorgánicas, metales, óxidos y sales. También gases tóxicos disueltos en el agua como el óxido de azufre, amoniaco, cloro, entre otros. La mayor parte de estos contaminantes se presenta en forma soluble, aunque no todos. Sin embargo, en esta forma son los más relevantes debido a su impacto, ya que en esta forma las sustancias son más móviles y su alcance tóxico es mayor. ● Sustancias químicas inorgánicas Ácidos, sales y metales tóxicos como el mercurio y el plomo. Si están en cantidades altas pueden causar graves daños a los seres vivos, disminuir los rendimientos agrícolas y corroer los equipos que se usan para trabajar con el agua ● Compuestos inorgánicos Muchas moléculas inorgánicas como plaguicidas, disolventes, detergentes, etc. al ser producidos por el hombre suelen tener estructuras moleculares complejas difíciles de degradar por los microorganismos. ● Nutrientes vegetales inorgánicos Nitratos y fosfatos, son sustancias solubles en agua que las plantas necesitan para su desarrollo, pero si se encuentran en cantidad excesiva inducen el crecimiento desmesurado de algas y otros organismos provocando la eutrofización de las aguas (presencia excesiva de materia orgánica en el agua). Cuando estas algas y otros vegetales mueren, al ser descompuestos por los microorganismos, se agota el oxígeno y se hace imposible la vida de otros seres vivos. El resultado es un agua mal oliente e inutilizable. Parámetros para medir la calidad de las aguas residuales Las mediciones cuantitativas son las herramientas más importantes para la práctica de la ingeniería.

30

En la presente tabla se muestra una descripción de los parámetros más importantes utilizados en la caracterización de aguas residuales: IMPORTANCIA EN AGUAS PARÁMETRO

RESIDUALES

Turbiedad

Indica la calidad de las aguas vertidas o naturales en relación con la materia coloidal y residual en suspensión.

Temperatura

Influye tanto en el desarrollo de la vida acuática, como sobre las reacciones químicas y velocidades de reacción.

Color

Indica la edad de las aguas residuales

Olor

Indica la descomposición de la MO y ayuda a evaluar la calidad

Sólidos

Su presencia afecta directamente la cantidad de lodo que se produce en el sistema de tratamiento. Los diferentes tipos de sólidos son los siguientes: sólidos totales (ST), sólidos volátiles (SV), sólidos suspendidos (SS), sólidos suspendidos volátiles (SSV), sólidos disueltos (SD) y sólidos sedimentables (SSD).

Oxígeno

Determina si los cambios biológicos en las AR

31

Disuelto

son llevados a cabo por organismos aeróbicos o anaeróbicos. En uno de los ensayos más importante es para medir la calidad de una corriente de agua, además de ser básico en la determinación de la DBO.

DBO

Indica la cantidad de oxígeno, utilizado por los microorganismos en la estabilización de la MO biodegradable, bajo condiciones aeróbicas.

DQO

Determina el contenido de MO de las AR, oxidando casi completamente todos los compuestos orgánicos a CO2 y agua.

Nitrógeno

Es necesario para evaluar la trazabilidad de las AR por tratamientos biológicos

Fósforo

Es de importancia secundaria en la mayor parte de las aguas residuales domésticas ARD, pero puede ser vital en residuos industriales y en lodos de

Acidez

AR.

Condición del agua para disminuir el pH por debajo de 7. Es la capacidad cuantitativa de una solución acuosa para reaccionar con iones

32

hidroxilo. Alcalinidad

Indica la cantidad de cambio que ocurrirá en el pH con la adición de cantidades moderadas de ácido, y proporciona información sobre las relaciones de iones bicarbonato y carbonato y la evolución de la química del agua.

Fuente: ROMERO, Jairo A. 2000 y METCALF AND EDDY. 1996

Composición y características de las aguas residuales. La Tabla 2 muestra la forma como se componen las aguas residuales, básicamente, 99,9% de agua en su estado conocido como de agua potable y 0.1% por peso de sólidos, sean estos disueltos o suspendidos. Este 0.1% referido es el que requiere ser removido para que el agua pueda ser utilizada o tratada. La forma de expresar las características de las aguas residuales puede hacerse de muchas maneras, dependiendo de su propósito específico; sin embargo, vale la pena anotar que toda caracterización de las aguas residuales implica un programa de muestreo apropiado para asegurar representatividad de la muestra y un análisis de laboratorio de conformidad con normas estándar que aseguren precisión y exactitud en los resultados. En general, un programa de muestreo para caracterización y control de calidad de aguas supone un análisis cuidadoso del tipo de muestras, número de ellas y parámetros que se deben analizar, en especial en un medio como el colombiano, en el que no se justifica asignar más recursos de los estrictamente necesarios para satisfacer el objetivo propuesto. Tabla 2 .Composición de las aguas residuales.

33

AGUA POTABLE

SÓLIDOS

GASES

COMPONENTES

DISUELTOS

BIOLÓGICOS

0.1 % (por peso)

99,9%

Suspendidos

O2

Disueltos

CO2

Bacterias

Coloidales

H2S

Micro y macroorganismos

Sedimentales

N2

Virus

Evaporación al vacío La evaporación al vacío es uno de los procedimientos más eficientes para el tratamiento de efluentes industriales, ya que permite separar con gran eficacia los contaminantes que se encuentran en el agua. Se trata de una tecnología indispensable para aquellas empresas que quieran implantar un sistema de vertido cero.

Tras un proceso de evaporación se obtienen elevadísimos porcentajes de agua destilada (95%) y una cantidad muy pequeña de rechazo (5%) para ser gestionado. Este rechazo es tan pequeño debido a la elevada concentración de residuos que se consigue en el proceso. Gracias a ello, las industrias que han de tratar caudales medios y grandes pueden beneficiarse de importantes ahorros, ya que el volumen de residuos que se han de enviar a gestionar se reduce considerablemente.

También es una tecnología muy adecuada para la producción del agua de alta calidad que numerosas industrias necesitan para incorporar a sus procesos productivos.

34

Ventajas de los evaporadores al vacío: ● Alta calidad del destilado. ● Es posible recuperar hasta un 97% de agua limpia. ● Permite la reutilización de las aguas tratadas. ● Puede tratar los efluentes más complejos. ● Bajo consumo de electricidad. ● Diseño flexible y compacto de las máquinas. ● Es una tecnología de fácil uso y requiere poco mantenimiento. ● Alta reducción y concentración de los residuos líquidos.

Otro aspecto a destacar de los evaporadores al vacío es su versatilidad y el gran número de ocasiones en que pueden ser aplicados (siempre y cuando los resultados justifiquen la inversión necesaria para su instalación, ya que no son la tecnología más económica). Los evaporadores al vacío son especialmente adecuados para la separación y el tratamiento de: ● Hidrocarburos disueltos en aguas contaminadas. ● Emulsiones aceitosas. ● Tratamiento de lixiviados. ● Aguas de enjuague de metalización galvánica. ● Aguas de desengrase. ● Aguas con alto contenido de sustancias oleosas. ● Aguas con alto contenido de metales pesados. ● Aguas con alto contenido de sales disueltas

35

Es habitual completar un proceso de evaporación al vacío con otras tecnologías de tratamiento de aguas residuales, que se pueden aplicar anteriormente (membranas, procesos físicoquímicos, etc.), sometiendo al efluente a un pre-tratamiento que facilite el proceso de evaporación, o posteriormente si se quiere obtener un concentrado todavía mayor. En este segundo caso la tecnología más adecuada son los cristalizadores, que pueden ser utilizados de dos maneras:

1. Cristalizador usado como una etapa final después de un proceso de evaporación clásico. 2. Evaporador y cristalizador integrados en una única unidad que combina ambos

procesos. Esta solución es adecuada para caudales pequeños y difíciles de tratar.

Dependiendo de cuál sea la composición de las aguas residuales a tratar, un proceso de evapocristalización permite separar sus componentes y recuperar productos secundarios, que pueden ser reutilizados o vendidos. Así sucede con el aceite de aguas aceitosas, que se puede vender como un producto secundario con un contenido de agua inferior al 5%, o con la recuperación de hidróxido de aluminio, que puede utilizarse posteriormente como producto químico, por citar algunos ejemplos.

36

MARCO CONCEPTUAL Mucílago de café El grano de café recién despulpado está cubierto de una capa mucilaginosa (mesocarpio), que es 15.55 a 22% del peso del fruto maduro con relación al contenido de humedad. El mucílago es una estructura rica en azúcares y pectina que cubre el endospermo de la semilla y mide aproximadamente 0.4 milímetros de espesor. (ANACAFÉ, 2004)

Estructura del fruto y del grano del cafe

. 1. Corte Central. 2. Grano del café (endosperma). 3.Piel plateada (tegumento). 4. pergamino (endocarpio). 5. capa de pectina. 6. pulpa (mesocarpio). 7. piel exterior (epicarpio). FUENTE : Educación Navarra , 2012. Desmucilaginacion

37

proceso por el cual se retira el mucílago del café producto de la producción del mismo, esta acción produce contaminación en el ecosistema en que se encuentre debido a las características propias del mucílago. Lixiviado Líquido resultante de un proceso de percolación de un fluido a través de un sólido. El lixiviado generalmente arrastra gran cantidad de los compuestos presentes en el sólido que atraviesa (Crites & Tchobanoglous, 2000)

pH (Grado de acidez y basicidad del cafe). El intervalo adecuado de pH para que se desarrolle la vida tiene un margen estrecho, en un rango de pH 5 y 9, las aguas residuales con valores menores a 5 y superiores a 9 tienen un tratamiento más complicado mediante agentes biológicos. Si dicho pH del agua residual tratada no es ajustado antes de ser vertido nuevamente al cuerpo de agua, el pH de este cuerpo receptor será alterado; de allí la necesidad de que los efluentes de las plantas de tratamiento deben ser descargados dentro de los límites específicos para descargas a cuerpos receptores (Crites & Tchobanoglous, 2000).

Alcalinidad

Esta se define como la capacidad del agua para neutralizar ácidos. En aguas residuales, la alcalinidad estará ligada a la presencia de hidróxidos (OH-), carbonatos (CO3 -2) y bicarbonatos (HCO3 - ) de elementos como el calcio, magnesio, sodio, potasio y del ion amonio, la alcalinidad en las aguas residuales ayuda a regular las variaciones en el pH causado por la adición de ácidos. Las aguas residuales comúnmente poseen cierta alcalinidad que se obtiene por el origen mismo de las aguas (Crites & Tchobanoglous, 2000).

38

Cloruros Los cloruros en las aguas residuales son un parámetro importante relacionado con la reutilización de esta, estos en condiciones naturales provienen de los cloruros lixiviados de las rocas y los suelos con los que se tienen contacto. En las aguas residuales los 6 cloruros son añadidos como consecuencia del uso, las heces humanas tienen un aporte aproximado de 6g de cloruros por persona/ día (Crites & Tchobanoglous, 2000). Gases disueltos Se determinan gases disueltos tales como amoniaco, dióxido de carbono, sulfuro de hidrógeno, metano y oxígeno, esto con la finalidad de ayudar en la operación de sistemas de tratamiento de aguas residuales. Las mediciones de oxígeno disuelto y amoníaco se realizan para monitorear y controlar los procesos que tengan un tratamiento biológico aerobio (Crites & Tchobanoglous, 2000). Sólidos El agua residual contiene distintos tipos de materiales sólidos que van desde hilachas hasta materiales coloidales, en la caracterización de las aguas, los materiales más gruesos son removidos usualmente antes de analizar los sólidos (Crites & Tchobanoglous, 2000). Sólidos totales (ST): Son los residuos remanentes después que la muestra ha sido evaporada y secada a una temperatura específica (103 a 105 ºC) Sólidos suspendidos totales (SST): Son una fracción de los ST retenidos en un filtro con un tamaño específico de filtro medida después de que se ha secado a una temperatura específica. ● Analizar estudios de tratamientos de aguas residuales generadas por el lavado del café. ● Identificar los componentes óptimos del sistema de evaporador al vacío para que cumpla con los requerimientos y especificaciones del producto a tratar. ● Modelar la máquina térmica utilizando la herramienta computacional Solidworks.

39

● Evaluar económica y técnicamente el sistema de tratamiento propuesto para las aguas residuales. ● Determinar los posibles usos del agua tratada.

DISEÑO METODOLÓGICO

40

FASE 1 INFORMACIÓN ● Busqueda de informacion acerca de los estudios relacionados con el tratamiento de aguas residuales ● Determinación de los parámetros que inciden en los procesos de tratamiento de aguas residuales. ● Estudio del proceso de producción del café. ● Comprensión del funcionamiento de un sistema de evaporación al vacío. FASE 2 ANÁLISIS DE LA INFORMACIÓN ● Profundización en la desmucilaginacion del café como principal etapa a tratar mediante el sistema de tratamiento de aguas. ● Estudio de las ventajas y desventajas del sistema de evaporador al vacío frente a otros sistemas. ● Caracterización de los estados del sistema de evaporacion al vacio y los dispositivos que se involucran. ● Conocimiento de la normatividad medio-ambiental y sanitaria que regula el tratamiento de las aguas residuales y la potabilización del agua. FASE 3 MODELAMIENTO DE LA MÁQUINA ● Determinación de los parámetros a estudiar durante la simulación. ● Simulación del prototipo de la máquina térmica por medio de la herramienta computacional CAD Solidworks ● Análisis de los resultados obtenidos en la simulación de la máquina térmica. ● Corrección del diseño de la máquina térmica en las etapas o zonas características de la máquina térmica. FASE 4 EVALUACIÓN DE COSTOS

41

● Análisis costo-utilidad. ● Verificación del costo-efectividad. ● Interpretación del costo-beneficio e indicadores de rentabilidad. FASE 5 USOS DEL AGUA TRATADA ● Verificación de los rangos posibles de potabilización del agua para el consumo humano a partir de la normatividad. ● Análisis de los posibles usos del agua tratada por la máquina térmica.

42

CRONOGRAMA

43

PRESUPUESTO

44

BIBLIOGRAFÍA

45

46

3.1 OBJETIVO GENERAL

47

ES LA META QUE USTED VA A LOGRAR SE VA A COMPROMETER A ENTREGAR

ANALIZAR, REALIZAR DIAGNÓSTICO, DISEÑAR , IMPLEMENTAR

4.MARCO TEÓRICO. SON LOS FUNDAMENTOS CONCEPTUALES QUE REQUIERE EL TRABAJO

4.1 ANTECEDENTES INVESTIGATIVOS

4.1.1 A NIVEL INTERNACIONAL 4.1.2 A NIVEL NACIONAL 4.1.3 A NIVEL REGIONAL

4.2 REFERENTES TEÓRICOS

4.3 MARCO CONCEPTUAL

48

5.DISEÑO METODOLÓGICO

INSTRUMENTOS Y PROCEDIMIENTOS DE CÓMO VA A REALIZAR CADA OBJETIVO ESPECÍFICO

Para analizar ,estudiar y observar el comportamiento de aguas residuales generadas por el procesamiento del café , es necesario el uso de los laboratorios implementando phmetros, decantadores, condensadores entre otros elementos. que permitan reconocer parámetros del agua tratada, como su densidad total , cantidad de agua pura por unidad de residuos , el PH contenido ,contenido de sólidos, materia sedimentable.

El uso de los floculantes vegetales varía según la composición del líquido sobre el que se adhiera . En la actualidad hay variedad de estudios que permiten conocer la composición y el comportamiento de los floculantes en contacto con otras sustancias. Para conocer estos estudios es necesario recopilar información y crear una base de datos confiable basándose en proyectos de investigación y publicaciones académicas reconocidas realizados anteriormente. Estas investigaciones y publicaciones realizadas se encuentran con facilidad en la base de datos de la universidad industrial de santander y también se encuentra la disponibilidad en google

49

académico el cual se puede ver como una base de datos online donde se publica información de universidades y estudios reconocidos y confiables.

Para identificar los floculantes que se elegirán para el proceso de desmucilaginación se dispone de dos parámetros que pueden ayudar a elegir el más óptimo o conveniente.

primer parámetro: Los floculantes que se logran obtener mediante la realización de las pruebas al agregarse estos a las aguas residuales obtenidas por el procesamiento del café y analizando el que logre separar y convertir en materia útil de manera más eficiente dichos residuos.

Segundo parámetro: Los floculantes que se disponen en la región. En el estudio realizado anteriormente se identificaron los floculantes que ayudan al proceso de recuperación de las aguas residuales. Para tomar la decisión sobre cual conviene mas , se debe comparar con los floculantes disponibles en las zonas productoras de café. De esta manera se evitan costos por transporte, impuestos y sobrecostos adicionales, convirtiendo así el producto floculante hallado en regiones cercanas en el de mayor eficiencia teniendo en cuenta la relación beneficio, costo.

Solidworks es un software que sirve para modelar en CAD /CAE , en este caso se usará el entorno para trabajar en proyecto CAD. Luego de obtener el sistema óptimo por medio del análisis mecánico calculado y dimensionado se modela posteriormente el sistema en Solidworks 2018 con la finalidad de obtener un visión realista del proyecto, observar el dimensionamiento y espacio ocupado y elaboración de planos para la fabricación del sistema.

50

Con este software se puede observar de manera simple dimensionamientos que no se tienen en cuenta durante el cálculo y la geometría en general del proyecto estudiado. También se puede realizar un estudio estático estructural del bastidor que soportará el sistema con el objetivo de dimensionarlo adecuadamente y que soporte las cargas estructurales generadas durante el proceso de desmucilaginación del café. Solidworks también ayudará en el cálculo del presupuesto puesto que en base a los sólidos utilizados en el modelo se elaboran listas de materiales y piezas estandarizadas permitiendo una rápida ubicación en el mercado. Se analiza posteriormente la viabilidad económica analizando la eficiencia del sistema en términos de costos de construcción, energéticos, mantenimiento, y se compara con los resultados obtenidos midiendo la pureza del agua a la salida de los intercambiadores para posteriormente comparar el agua obtenida empleando solo floculantes como componentes limpiadores del agua. Se evalúa también el impacto ambiental como un costo quitando así beneficio en caso de que el sistema sea mejor en términos energéticos pero contamine el medio ambiente por el arrastre que genera el vapor hacia el ambiente de los residuos. Para evaluar los posibles usos del agua tratada se debe hacer un estudio de las necesidades de los productores de café. Este estudio se realiza visitando las zonas cafeteras y analizando donde puede ser más efectiva la empleabilidad de estas aguas considerando inclusive el uso de estas en el mismo procesamiento del café.

Se debe tener en cuenta que tratar el agua como potable puede afectar a la salud de quien la consume puesto que se puede obtener una pureza de agua intermedia después del proceso de descontaminación del agua. Lo más conveniente sería reusar esta agua para procesos

51

posteriores en la producción del café o inclusive para autoabastecerse en el proceso de lavado de la semilla del café.

Modificar el agua en el proceso del lavado del café puede llevar a consecuencias como desmejoras en el sabor , baja calidad del producto, etc. Para descartar estas posibles amenazas se debe realizar un estudio teniendo contacto directo con los consumidores del café tratado, realizando visitas recurrentes y obteniendo información mediante canales de comunicación constantes con la finalidad de analizar la variación del sabor y consecuentemente las ventas del producto en función del agua tratada reusada en el proceso.

REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS

● Chun-Yang, Y. (2010). Emerging usage of plant-based coagulants for water and wastewater treatment. Process Biochemistry, 1437-1444. ● Chaudhuri, M., & Babu , R. (2005). Home water treatment by direct filtration with natural coagulant. Journal of water and health 3 No. 1, 27-30. ● Aziz, H. (1998). The use of sago starch as coagulant aid in water and wastewater treatment. Bulletin Institution of Engineers Perak, 27-31 ● Cenicafe . (2007). Taller de Capacitación Sistema de Aguas Residuales para el Sector Café. Cenicafe. (1999). boletin tecnico del Tratamiento de aguas residuales para el tratamiento del cafe. Chinchina. ● Cenicafe. (2011). construyendo el modelo para la gestión integrada del recurso hídrico en la caficultura colombiana. Chinchina: Cenicafe.

52

●

CENICAFE. (Marzo de 2011). Controle los Flujos de café y agua en el modulo belcosub. CENICAFE. (2011). Procesamiento del café en Colombia y uso actual de los subproductos.

¡CÓMO? APROXIMACIÓN PÁRRAFO INTRODUCTORIO: ENUNCIA QUE VA A CONTENER ESTE CAPITULO 5.1 Fase 1.2 objetivos

TRABAJO ESCRITO

1 portada contraportada tabla de contenido 2 tabla de figuras 3 descripción del problema 3 justificación 4 objetivos 5 marco teorico 6 diseño metodologico 7 cronograma 8 presupuesto 9 bibliografia

53

Descripcion y justificacion

Diego y Miguel

Objetivos

Diego

Marco teórico

Andrey

Referentes teóricos

Andrey

Marco conceptual

Miguel

Diseño Metodológico

Diego

cronograma

Diego

presupuesto

Miguel

Bibliografía y cierre

Andrey