Resumen

Actualmente la industria quesera de la región Norte del Estado de México pasa por una situación preocupante: la sanción legal por descarga de aguas residuales de sus procesos productivos, principalmente el suero de leche, que es un residuo de la producción de queso, éste al ser descargado sin tratamiento al suelo y agua, tiene un impacto negativo, ya que acidifica el suelo (haciéndolo infértil), y provoca la muerte de especies acuáticas en el agua, por su alta demanda bioquímica de oxígeno (BDO). El objetivo es diseñar un proceso de tratamiento integral del suero de queso, para recuperar agua apta para su reutilización y disposición efectiva de los sólidos como fertilizante orgánico para suelo, este proyecto surge de la necesidad de una empresa quesera del ejido de Jilotepec. Se empleó el principio de floculación-coagulación; se planteó un diseño estadístico factorial 2³ con dos repeticiones, teniendo como factores: Ca(OH)2, NaClO y FeCl3, las variables de respuesta fueron turbiedad y pH final. Se logró obtener agua con un 90% de pureza, y con un pH final entre 7 y 8; se optimizó el proceso de tratamiento de floculación-coagulación logrando un agua tratada con un promedio de 45±0.85 unidades de DBO, por debajo del limite permisible por la norma NOM-001-SEMARNAT-1996. Se está diseñando el proceso de tratamiento a escala semi-industrial para tratar de 2000 a 3000 L de suero de queso por día, además se está evaluando el uso de los residuos sólidos generados en el suelo de campos agrícolas de la región.

Pregunta de Investigación

Planteamiento del Problema

Según datos de la Secretaría de Desarrollo Agropecuario del estado de México, se estima una descarga aproximada de 150,000 L de suero al día, los cuales son descargados directamente en arroyos, canales o en el mejor de los casos al drenaje, lo que eleva la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la acidez tanto del agua como del suelo, esto nos deriva a que el agua no se pueda consumir y el suelo se vuelva infértil.
¿Se podrá tratar eficientemente el agua residual de la industria quesera para ser descargado o usado como agua de riego?

Antecedentes

El suero de leche o lactosuero es la fracción líquida obtenida durante la coagulación de la leche en el proceso de fabricación del queso y de la caseína, después de la separación del coágulo o fase micelar. Sus características corresponden a un líquido de color amarillo verdoso, turbio, de sabor fresco, débilmente dulce, de carácter ácido que contiene un 94% de agua, proteínas y grasas.

Considerado por largo tiempo como un desecho difícil de tratar y eliminar debido a las grandes cantidades producidas en la industria del queso, es actualmente una de las materias primas más usadas en el ámbito alimentario. Nuevas tecnologías permiten recuperar los principales nutrientes y elaborar a base de ellos nuevos productos como los concentrados de proteínas de suero, emulsificantes, estabilizantes y otros aditivos que confieren propiedades geológicas y sensoriales a los productos de la industria alimentaria. (Fachin L. y Viotto W, 2005)

En el proceso convencional de coagulación-floculación-sedimentación, se añade un coagulante al suero fuente para crear una atracción entre las partículas en suspensión. La mezcla se agita lentamente para inducir la agrupación de partículas entre sí para formar “flóculos”. El suero se traslada entonces a un depósito tranquilo de sedimentación para sedimentar los sólidos. (Guiot S.R. 2009)

Existen el sistema de floculación-cloración como tecnología de punto de uso, especialmente para países en vías de desarrollo. Éste usa paquetes pequeños de productos químicos y equipos sencillos como cubetas y un filtro de paño para purificar el suero lácteo. (Chalaris M. 2009)

Objetivo

Desarrollar un proceso de tratamiento de aguas residuales (suero lácteo o suero de queso) de una microempresa de quesos de la región, aplicando el proceso de coagulación-floculación, que permita obtener agua apta para su uso agrícola.

Justificación

Según datos de la Secretaría de Desarrollo Agropecuario del estado de México (SEDAGRO, 2018), la producción de leche fluida en la región noroeste del estado fue de 200,000 L/día, de los cuales 172,500 L se emplearon en la producción de queso, considerando que por cada kilogramo de queso se emplean 10 litros de leche, se estima una descarga aproximada de 150,000 L de suero, los cuales son descargados directamente en arroyos, canales o en el mejor de los casos al drenaje, lo que eleva el la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) y la acidez tanto del agua como suelo.

Hipótesis

La combinación de cal-hipoclorito de sodio-cloruro férrico, logrará una eliminación de 80% de solidos suspendidos totales, para obtener al menos 80% de transmitancia del agua tratada y un DBO entre 150 y 250 conforme a norma oficial mexicana.

Método (materiales y procedimiento)

Se realizó el estudio del suero de queso o suero lácteo de interés para este proyecto (mezcla proveniente de la producción de queso panela y tipo Oaxaca), para definir la composición de éste y evaluar el tratamiento a seguir. Las muestras de suero fueron proporcionadas por la microempresa “Quesos Monroy” (ubicado en el ejido de Jilotepec, Méx.). Las muestras fueron enfriadas y conservadas en refrigeración por 5 días. Se evaluaron los siguientes parámetros fisicoquímicos: pH, % de grasa, % de proteína, % de lactosa, % de solidos minerales, % de solidos no grasos y % de solidos totales. Estos análisis se realizaron en colaboración con el Laboratorio de Análisis de Alimentos de la Facultad de Química de la Universidad Autónoma de Querétaro.

Determinación de condiciones de tratamiento del suero de queso.

Empleando diseños estadísticos experimentales, se buscará optimizar el mejor tratamiento del suero lácteo (suero de queso) empleando agentes coagulantes y/o floculantes.

Como resultado de ensayos preliminares, se procedió a realizar un diseño factorial 2³ con una réplica, esto por razones de material y equipo. Los factores de interés se muestran en la Tabla 1. Las variables de respuesta fueron pH y % de Transmitancia (medido en un espectrofotómetro UV-Vis a 860 nm).

Tabla 1. Factores del diseño experimental 2³.

Propuesta de sistema de tratamiento de agua residual.

Después de optimizar las condiciones de tratamiento del suero lácteo, se procederá a diseñar un sistema escala piloto que permita llevar a cabo el tratamiento del residuo líquido, con la finalidad de obtener agua apta para descarga o riego agrícola, y determinar el uso de los sólidos generados.

Galería Método

Resultados

Análisis de suero lácteo (suero de queso).

Se muestra en la Tabla 2, el análisis de la composición del suero lácteo, cabe destacar que el pH inicial del suero fue de 5.1 ± 0.15, lo que indica que es un residuo ácido, y es la posible explicación a la problemática que presenta la microempresa, que tiene los canales y tubería de drenaje altamente desgastados (corrosión), además en las áreas terrestre donde llegaban a descargar el suero lácteo, a las 2 semanas aproximadamente, se notaba un daño considerable en la vegetación.

Tabla 2. Análisis del suero lácteo (suero de queso)

Estimación y optimización de condiciones de tratamiento por coagulación-floculación.

Se muestran los gráficos de efectos principales del diseño experimental 2³ con una réplica, para pH final de tratamiento y % transmitancia.

Figura 1. Efectos principales para pH final (experimento 2³)

Figura 2. Efectos principales para % de transmitancia a 860 nm (experimento 2³)

Según la Figura 1, se aprecia que la adición de hidróxido de calcio (cal), tiene un efecto notable en el pH final de tratamiento, de 5.1 a aproximadamente 11.7, lo cual es relativamente bueno, considerando que el suero inicialmente era ácido, sin embargo, se está evaluando el uso de los lodos en muestras de suelo y su impacto sobre la vegetación.

Para la Figura 2, tanto la cal como el hipoclorito de sodio (blanqueador comercial), tuvieron un efecto significativo sobre la transmitancia del agua tratada, es decir, la eliminación de sólidos totales fue muy buena, lo que permitió obtener agua con muy baja cantidad de sólidos suspendidos, el cloruro férrico no presentó un efecto significativo, por lo que se decidió no adicionar este reactivo, que según Chatzipaschali y Stamatis (2012) y Carvalho y cols (2013), funciona como catalizador del proceso de coagulación-floculación.

Derivado de lo anterior, se procedió a aplicar un diseño experimental 3² con una réplica (dos factores: cal e hipoclorito de sodio en tres niveles cada uno), esto con la finalidad optimizar las condiciones de coagulación-floculación. Se obtuvieron los siguientes resultados:

Figura 4. Grafico de contornos para pH final del agua tratada.

Figura 5. Gráfico de contornos para % de Turbidez (l=860 nm) final del agua tratada.

Como se aprecia en la figura 4, el pH final del agua tratada esta entre 12 y 12.4 unidades, por lo que se están realizando pruebas en suelo y composta para verificar que este pH no tenga un impacto negativo en el suelo destinado para uso agrícola. Sin embargo, el pH se nivelo a 7.0±0.5 para poder disponer de manera inmediata el agua en un terreno ejidal, bajo el riesgo del ejidatario y microempresario. Al momento de redactar este informe, no se ha reportado alguna incidencia en el suelo agrícola.

En la figura 5, se puede apreciar que el % de transmitancia es muy buena, con niveles mayores al 95%, lo que representa significativamente una excelente eliminación de sólidos totales y suspendidos, y comparado con el 98% de transmitancia que tiene el agua potable, o el 85% de transmitancia del agua destinada a riego agrícola, se puede asegurar que el agua tratada es viable para su descarga en suelo.

Para asegurar que la calidad del agua tratada a partir del suero de queso es apta para su descarga en suelo agrícola, se realizaron los análisis en solidos suspendidos totales, sedimentables y demanda bioquímica del oxígeno (DBO) empleando un kit de análisis ambientales marca Hanna, y los resultados se contrastaron con la norma oficial mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996.

Tabla 3. Análisis de agua tratada a partir de suero de queso.

Con base a la tabla 3, el agua obtenida con el proceso optimizado de coagulación-floculación, cumple satisfactoriamente con la norma 001 para aguas que se descargan en cuerpos de aguas nacionales.

Galería Resultados

Discusión

Tabla 2. Análisis del suero lácteo (suero de queso).

Según la Figura 1, se aprecia que la adición de hidróxido de calcio (cal), tiene un efecto notable en el pH final de tratamiento, de 5.1 a aproximadamente 11.7, lo cual es relativamente bueno, considerando que el suero inicialmente era ácido, sin embargo, se está evaluando el uso de los lodos en muestras de suelo y su impacto sobre la vegetación.

Para la Figura 2, tanto la cal como el hipoclorito de sodio (blanqueador comercial), tuvieron un efecto significativo sobre la transmitancia del agua tratada, es decir, la eliminación de sólidos totales fue muy buena, lo que permitió obtener agua con muy baja cantidad de sólidos suspendidos, el cloruro férrico no presentó un efecto significativo, por lo que se decidió no adicionar este reactivo, que según Chatzipaschali y Stamatis (2012) y Carvalho y cols (2013), funciona como catalizador del proceso de coagulación-floculación.

En la figura 5, se puede apreciar que el % de transmitancia es muy buena, con niveles mayores al 95%, lo que representa significativamente una excelente eliminación de sólidos totales y suspendidos, y comparado con el 98% de transmitancia que tiene el agua potable, o el 85% de transmitancia del agua destinada a riego agrícola, se puede asegurar que el agua tratada es viable para su descarga en suelo.

Con base a la tabla 3, el agua obtenida con el proceso optimizado de coagulación-floculación, cumple satisfactoriamente con la norma 001 para aguas que se descargan en cuerpos de aguas nacionales.

Conclusiones

Se logró obtener una calidad de agua óptima para descarga en suelo agrícola o bien en cuerpos de agua (arroyo o presa), con el proceso optimizado de coagulación-floculación a base de cal e hipoclorito de sodio comercial (transmitancia mayor al 95% y DBO inferior a 50 mg/L). Se está realizado el diseño de una planta tratadora de agua residual de quesería con capacidad de 2500 L, el cual se implementará en la microempresa Quesos Monroy de Jilotepec.

Bibliografía

Carvalho F., Prazeres A.R., Rivas J. (2013) Cheese whey wastewater: characterization and treatment. Sci. Tot. Environ. 5:385-396

Chatzipaschali A. y Stamatis A.G. (2012). Biotechnological utilization with a focus on anaerobic treatment of cheese whey: current status and prospects. Energies, 5:3494-3525.

Fachin L. y Viotto W. (2005). Effect of pH and heat treatment of cheese whey on solubility and emulsifying properties of whey protein concentrate produced by ultrafiltration. Int. Dairy J. 15:325-332.

Frigon, J.C., Breton J., Bruneau T. Moletta R. Guiot S.R. (2009). The treatment of cheese whey wastewater by sequential anaerobic-aerobic steps in a single digester at pilot scale. Biores. Tech. 100:4156-4163.

Kotoupas A., Rigas F., Chalaris M. (2009). Computed process design, economic evaluation and environmental impact assessment for treatment of cheese whey wastewater. Desalination. 213:238-252.

Rivas J., Prazeres A.R., Carvalho F.,Beltran F. (2010) Treatment of cheese whey wastewater: combined coagulation-flocculation and aerobic biodegradation. J. Agric. Food Chem. 58:7871-7877.

SEMARNAT. (1997). Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996. Descargado en www.gob.mx/cms/ .

Tehrain N.S., Najafpour G.D., Rahimnejad M., Attar H. (2015). Performance of upflow anaerobic sludge fixed film bioreactor for the treatment of high organic load abd biogas production of cheese whey wastewater. Chem. Ind. Chem. Eng. 21(2):229-237

Summary

Actualmente la industria quesera de la región Norte del Estado de México pasa por una situación preocupante: la sanción legal por descarga de aguas residuales de sus procesos productivos, principalmente el suero de leche, que es un residuo de la producción de queso, éste al ser descargado sin tratamiento al suelo y agua, tiene un impacto negativo, ya que acidifica el suelo (haciéndolo infértil), y provoca la muerte de especies acuáticas en el agua, por su alta demanda bioquímica de oxígeno (BDO). El objetivo es diseñar un proceso de tratamiento integral del suero de queso, para recuperar agua apta para su reutilización y disposición efectiva de los sólidos como fertilizante orgánico para suelo, este proyecto surge de la necesidad de una empresa quesera del ejido de Jilotepec. Se empleó el principio de floculación-coagulación; se planteó un diseño estadístico factorial 2³ con dos repeticiones, teniendo como factores: Ca(OH)2, NaClO y FeCl3, las variables de respuesta fueron turbiedad y pH final. Se logró obtener agua con un 90% de pureza, y con un pH final entre 7 y 8; se optimizó el proceso de tratamiento de floculación-coagulación logrando un agua tratada con un promedio de 45±0.85 unidades de DBO, por debajo del limite permisible por la norma NOM-001-SEMARNAT-1996. Se está diseñando el proceso de tratamiento a escala semi-industrial para tratar de 2000 a 3000 L de suero de queso por día, además se está evaluando el uso de los residuos sólidos generados en el suelo de campos agrícolas de la región.

Research Question

Problem approach

Background

Objective

Justification

Hypothesis

Method (materials and procedure)

Method Gallery

Results

Results Gallery

Discussion

Conclusions

Bibliography