Investigación realizada por el I.Q. Benjamín Castañeda Galván para obtener su título universitario. ANALISIS DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO BIOTECNOLOGICO DE LOS RESIDUOS GENERADOS EN LA INDUSTRIA CÁRNICA. ASESORES: I.B. MARCO FABRICIO CASTILLO RIVERA M.A. RAFAEL GOMEZ RODRIGUEZ

1. UNIVERSIDAD VERACRUZANA FACULTAD DE INGENIERIA QUÍMICA ANALISIS DE UN SISTEMA DE TRATAMIENTO BIOTECNOLOGICO DE LOS RESIDUOS GENERADOS EN LA INDUSTRIA CÁRNICA. TRABAJO PRACTICO TECNICO QUE PARA OBTENER EL TITULO DE: INGENIERO QUIMICO PRESENTA: BENJAMIN CASTAÑEDA GALVAN ASESORES: I.B. MARCO FABRICIO CASTILLO RIVERA M.A. RAFAEL GOMEZ RODRIGUEZ

2. INDUSTRIA CÁRNICA La ganadería es la base de la industria cárnica, esta se encarga del desarrollo de animales aptos para el consumo humano. GANADERIA RASTROS MUNICIPALES Y FRIGORIFICOS FABRICAS DE EMBUTIDOS Y CARNICERIAS GANADERIA RASTROS MUNICIPALES Y FRIGORIFICOS FABRICAS DE EMBUTIDOS Y CARNICERIAS Los rastros son establecimientos donde se realiza la matanza de animales y actividades posteriores para la obtención de carne, al conjunto de estas acciones se le denomina proceso de carnización. Son lugares donde la carne y los subproductos comestibles son empacados, envasados y clasificados para su posterior comercialización.

3. RASTROS MUNICIPALES Y FRIGORIFICOS Una problemática ambiental mundial circula alrededor de los rastros, las aguas y solidos residuales del proceso son descargados sin tratamiento alguno al medio ambiente. En México existen 2200 rastros, la mayoría son municipales que se caracterizan por la escasez de tratamiento a los desechos generados.

4. Las aguas residuales del proceso de matanza están altamente contaminadas con materia orgánica, que puede traducirse en: grasa, estiércol, pelo, sangre, trozos de carne y vísceras. AGUA 500 - 1000 Lt/animal Corte en canal

5. SISTEMA DE TRATAMIENTO CONVENCIONAL EFLUENTE SEPERADOR SOLIDOS Contenido estomacal, grasa, pelo, etc. Aguas residuales LAGUNAS FACULTATIVAS SECADO AL AMBIENTE Tratamiento obsoleto, emisión de olores putrefactos y gases de efecto invernadero.

6. PROBLEMÁTICA AMBIENTAL TRATAMIENTOS CONVENCIONALES OBSOLETOS RASTROS MUNICIPALES Y FRIGORIFICOS Es necesario desarrollar una propuesta tecnológica general, que permita mejorar la eficiencia de los procesos productivos en los rastros municipales y frigoríficos. Que a la larga busque economizar y simplificar los procesos de tratamiento y aprovechamiento de los residuos (Uicab y Sandoval, 2003). Debido a que muchas propuestas tecnológicas quedan en simples demostraciones y no llegan a implantarse a escala real por las inercias de ingeniería y temor de los empresarios en aceptar nuevas tecnologías, se presenta el siguiente trabajo.

8. RASTROS MUNICIPALES Servicio que presta la administración del municipio a los comerciantes del lugar. Generalmente procesan ganado bovino y porcino. RASTROS FRIGORIFICOS Planta especializada en el proceso de producción de carne y derivados. Cumplen con las normas establecidas en seguridad e higiene y son propiedad de ganaderos. PROCESO DE CARNIZACIÓN

10. RESIDUOS GENERADOS EN LOS RASTROS Los subproductos y desechos generados en los rastros municipales se dividen en dos partes, que son las aguas residuales del proceso y residuos sólidos, como estiércol, vísceras, partes de grasa, sangre, entre otros. AGUAS RESIDUALES RESIDUOS SOLIDOS Generadas durante el lavado de los corrales, actividades en la sala de matanza y baños del personal. Partes de los animales no apropiadas para el consumo humano y que necesitan un tratamiento para ser depositados al medio ambiente.

11. AGUAS RESIDUALES El principal contaminante disuelto en las aguas residuales de los rastros es la sangre, con una demanda química de oxigeno de 375 000 mg/L DQO (Tritt and Schuchardt, 1992). Características promedio de las aguas residuales generadas en los rastros. 4000 – 12000 1200 – 7000 300 – 2500 100 – 600 200 - 750 6.8 – 7.8 Demanda química de oxigeno Demanda biológica de oxigeno Solidos suspendidos totales Grasas Nitrógeno pH Concentración (mg/L) Parámetro Fuente: Jarauta Rovira, 2005. Las aguas residuales de los rastros son de carga orgánica alta, ricas en nutrientes biológicos, temperatura relativamente calida, pH neutro y libres de material toxico .

13. RESIDUOS SÓLIDOS Desechos generados en los rastros municipales. Sangre, grasa, huesos, fragmentos tisulares, orejas, cuernos, cascos, contenido ruminal, vísceras abdominales y torácicas. Sangre, grasa, huesos, fragmentos tisulares, cascos, pelos, vísceras abdominales. Bovino Porcino Desecho producido Especie Fuente: Uicab y Sandoval, 2003 La sangre y el contenido ruminal son los desechos generados en mayor cantidad en cualquier planta (rastro municipal o frigorífico) donde se realiza el sacrificio de ganado bovino.

14. RESIDUOS SÓLIDOS La sangre y el contenido ruminal son los desechos generados en mayor cantidad en cualquier planta (rastro municipal o frigorífico) donde se realiza el sacrificio de ganado bovino. Cantidades promedio de subproductos por animal sacrificado (en porcentaje respecto al peso vivo). 95 6.8 3.0 5.5 2.6 2.5 450 1.78 0.44 1.44 4.0 6.22 0.55 0.44 0.44 10 500 1.6 0.4 1.3 3-4 6.0 0.5 0.4 0.4 12 500 1.6 0.4 1.3 3-4 6.0 0.5 0.9 0.4 12 PV (peso vivo) promedio en kilogramos Huesos Vísceras torácicas Vísceras abdominales Sangre en litros Cabeza con cuernos Cabeza sin cuernos Patas con cascos Órganos genitales Grasa Contenido ruminal Porcino adulto Bovino joven Bovino hembra adulto Bovino macho adulto Fuente: Uicab y Sandoval, 2003.

15. AGUAS RESIDUALES RESIDUOS SÓLIDOS BIODEGRADACION NATURAL BIODEGRADACIÓN ANAEROBIA BIODEGRADACIÓN AEROBIA

17. Fermentación bacteriana Bacterias acetogénicas Bacterias metanogénicas Materia orgánica compleja (carbohidratos-proteínas-grasas) Materia orgánica solubles (glucosa-aminoácidos-ácidos volátiles) Ácidos grasos volátiles Ácido acético H2, CO2 CH4 + CO2 1 2 3 4 4

18. DIGESTORES ANAEROBIOS TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES REACTORES ANAEROBIOS DE ALTA VELOCIDAD O DE SEGUNDA GENERACIÓN RETENCIÓN DE BIOMASA

19. REACTOR CON ARREGLO DE BIOPELICULA FILTRO ANAEROBIO

20. REACTOR ANAEROBIO MANTO DE LODOS ASCENDENTE U A S B “ Upflow Anaerobic Sludge Blanket Reactor”

21. REACTOR ANAEROBIO DE CAMA FLUIDIZADA CAMA FLUIDIZADA

22. REACTOR ANAEROBIO HIBRIDO REACTOR ANAEROBIO HIBRIDO DE FLUJO ASCENDENTE “RAHFA”

23. REACTORES ANAEROBIOS EN EL TRATAMIENTO DE EFLUENTES DE RASTROS Lettinga et al. (1982) Zheng-Wu (1985) Sabed et al. (1987) Polprasert et al. (1992) Johns (1995) Ruiz et al. (1997) Johns (1995) Johns (1995) Ruiz et al. (1997) Banks y Wang (1999) 87 a 91 77 85 75 92.6 90 85 85 87 a 91 87 6 a 10 2.7 7 0.9 a 4.7 3 1 a 6.5 2.3 11 1 a 6.5 1.4 a 7 UASB UASB UASB ABR CSTR AF AF UASB UASB TPAD Referencia Remoción DQO (%) Carga Orgánica (Kg-DQO/m 3 -día) Reactor Fuente: Ke, S. et al., 2005.

26. EL PROCESO DE COMPOSTEO (BIODEGRADACIÓN AEROBIA) PILA DE COMPOSTAJE Material orgánico Minerales Agua Microorganismos Material orgánico Minerales Agua Microorganismos OXIGENO Dióxido de carbono Agua Calor Materia prima Composta En términos generales se puede definir al compostaje como una biotécnica donde pueden participar lombrices, insectos microorganismos, entre otros, para obtener un producto inocuo, químicamente estable, aplicado como mejorador de suelos, ya que puede incrementar su fertilidad y productividad del mismo.

27. FUNDEMENTOS DEL PROCESO Parámetros Operación Relación C/N, humedad, granulometría, aireación, temperatura, pH, microbiología.

30. ENERGIA PROVENIENTE DE LAS AGUAS RESIDUALES El metano se obtiene a partir de diferentes compuestos orgánicos (carbohidratos, proteínas y grasas), este se forma en conjunto con dióxido de carbono en proporción 2:1 aproximadamente, entre otros gases. Esta mezcla gaseosa producida por la biodegradación anaerobia de la materia orgánica es la que se denomina biogás. AGROINDUSTRIA DIGESTION ANAEROBIA AGUAS RESIDUALES PRODUCCIÓN DE ENERGÍA BIOMASA

31. Composición del biogás obtenido de diversas fuentes combustible ácido, asfixiante corrosivo combustible corrosivo, olor, toxico corrosivo toxico inerte corrosivo corrosivo, olores 45-65% 34-55% saturación 0-1% 0.5-100ppm trazas trazas 0-20% 0-5% 5.0ppm 50-70% 30-50% saturación 0-2% 0-8% trazas 0-1% 0-1% 0-1% trazas 50-80% 20-50% saturación 0-5% 0-1% trazas 0-1% 0-3% 0-1% trazas 50-80% 30-50% saturación 0-2% 100-700ppm trazas 0-1% 0-1% 0-1% trazas Metano CO 2 Vapor agua Hidrogeno H 2 S Amoniaco CO Nitrógeno Oxigeno Orgánicos Propiedades Rellenos Sanitarios Residuos Industriales Lodos Cloacales Residuos Agrícolas Gases Fuente: Carrillo L., 2003. Un metro cúbico de biogás con 60% de metano en promedio contiene unos 5000 Kcal (6Kwh), aproximadamente la mitad de energía del gas natural.

33. La industrialización rápida tiene como resultado la generación de grandes cantidades de efluentes con alta concentración de materia orgánica, los cuales si son tratados apropiadamente pueden resultar en una fuente constante de energía (Kansal A. et al., 1998; Rajeshwari et al., 2000). Imagen industrias

34. DEPURACION DE AGUAS RESIDUALES CON PLANTAS ACUATICAS El uso de las plantas acuáticas es desarrollado como tratamiento secundario o terciario de las aguas residuales y demuestra ser muy eficiente en la remoción de contaminantes orgánicos, patógenos, nutrientes y metales pesados.

36. SISTEMA DE TRATAMIENTO EN DOS ETAPAS Digestor anaerobio Humedal construido Este sistema en dos etapas para tratamiento de efluentes con una carga orgánica alta fue probado por Rivera et al. 1997. El sistema consiste de un digestor anaerobio seguido por un humedal construido. La eficiencia del tratamiento fue alta, alcanzando una remoción de DQO y DBO del 87% y 88% respectivamente. La reducción de los solidos suspendidos fue de 89%, y el 99% de los coliformes fecales fueron eliminados.

37. RASTRO MUNICIPAL DE CIUDAD DEL CARMEN, CAMPECHE

39. Entrada Corrales Inspeccionado Pesado Sala de matanza Sacrificio Desangrado Descuerado Depilado Eviscerado Corte en canal Pesado Salida Aguas residuales Contenido ruminal Sangre Desperdicios de Matanza Contenedor Reactor Anaerobio Biogás Pila de Composteo Horno Secador Composta Harina de sangre Ciénega Construida Descarga Abono orgánico SISTEMA DE TRATAMIENTO APLICADO

43. AREA DE COMPOSTAJE, HORNO SECADOR Y GASOMETRO

44. CARACTERISTICAS DE LAS AGUAS RESIDUALES DE LA SALA DE MATANZA Comportamiento de las aguas residuales.

48. Aguas residuales Contenido ruminal Sangre Desperdicios de Matanza Contenedor Reactor Anaerobio Biogás Pila de Composteo Horno Secador Composta Harina de sangre Ciénega Construida Descarga Abono orgánico 40m3/día 500kg/día 89.75kg SST 23.1kg NT 250.2kg DQO 500kg/día 100lt/día 20kg/día 14.5kg NT 22.2kg SST 36.4kg DQO 6.48kg NT 0.46kg SST 8.64kg DQO 106.8m3/día Biogás COMPORTAMIENTO DEL SISTEMA DURANTE EL PERIODO DE EVALUACION 20 CERDOS 10 RESES

49. TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES Entrada al sistema de tratamiento 38.07 24.46 FT-mg/L 823.9 577.5 NT-mg/L 398.5 227.26 GyA-mg/L 12960 6256 DQO-mg/L 7200 2243.884 SST-mg/L 40 16.7 Ssed-ml/L 29.9 28.438 T°C 7.54 7.416 pH VALOR PUNTA PROMEDIO UNIDAD 40 m 3 /día

50. PLANTA DE TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES

51. REACTOR ANAEROBIO HIBRIDO DE FLUJO ASCENDENTE De acuerdo con Massé - Masse (2000), la digestión anaerobia muestra ser muy eficiente en el tratamiento de aguas residuales de rastros, presentando una alta eficiencia en la remoción de la DQO, producción de energía renovable en forma de biogás, no consume energía para aeración y no se utilizan químicos. El reactor híbrido trabaja eficientemente y demuestra ser estable a grandes cambios en la velocidad de carga (Kansal A. et al; 1998).

55. Eficiencia del sistema en la remoción de contaminantes (en %) 63,07 48,86 28 FT-mg/L 71,95 55,49 36,89 NT-mg/L 83,6 70,46 44,49 GyA-mg/L 96,54 88,15 85,42 DQO-mg/L 99,48 97,9 75,2 SST-mg/L 99,4 97,76 73,17 Ssed-ml/L TOTAL CIENEGA DIGESTOR UNIDAD

56. CARACTERISTICAS DEL EFLUENTE DE LA PLANTA DE TRATAMIENTO Máximos permisibles en la descarga de aguas tratadas no excede 30 9.032 mg/L FT 102.004 60 162.004 mg/L NT 12.26 25 37.26 mg/L GyA no excede 150 108 mg/L **DBO no excede 125 11.64 mg/L SST no excede 2 0.1 ml/L Ssed no excede 40 27.6 °C T no excede 5.5-10 7.602 unidad pH RESULTADO *CANTIDAD PERMISIBLE CANTIDAD PROMEDIO UNIDAD PARAMETRO *NOM-001-SEMARNAT-1996, MUESTRA INSTANTANEA, PROMEDIO DIARIO TIPO “B”. **EN AGUAS COMPLETAMENTE DEGRADABLES LA DQO SE ENCUENTRA EN PROPORCION 2:1 CON LA DBO.

57. Comportamiento del efluente con la norma ambiental ENTRADA SALIDA

59. SISTEMA DE COMPOSTAJE 500 Kg/día 60% humedad CONTENIDO RUMINAL 1 MES 150 Kg/día 10% humedad 285 Kg agua 15 Kg de Composta por bovino adulto sacrificado.

60. HORNO SECADOR SANGRE VACUNA 105 Kg/día 80% humedad 20 HORAS 20 Kg/día <5% humedad 84 Kg agua 3 Kg de harina de sangre por bovino adulto sacrificado.

63. Aguas residuales Contenido ruminal Sangre Desperdicios de Matanza Contenedor Reactor Anaerobio Biogás Pila de Composteo Secador Composta Harina de sangre Ciénega Construida Descarga Abono orgánico Pre Compostaje Generación de energía Energía eléctrica Energía calorífica RASTRO MUNICIPAL O FRIGORIFICO (100 m 3 /día) RASTRO AUTOSUFICIENTE EN ENERGIA