UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA DE LA SELVAFACULTAD DE RECURSOS NATURALES RENOVABLES

DEPARTAMENTO ACADÉMICO DE CIENCIAS AMBIENTALES

“REMOCION DE LA MATERIA ORGÁNICA DE EFLUENTES DE LA INDUSTRIA CAFETALERA USANDO CELDAS DE COMBUSTIBLE

MICROBIANA”

PROFESOR : Ing. José Luis Paredes Salazar

CURSO : Tratamiento de Aguas Residuales Industriales

ALUMNOS : -- ESTRADA TERREL, Yulissa

LIJARZA GALVEZ, Yeshua

MEDINA DIONICIO, Elvis

NATORRE CENIZARIO, Geny

QUISPE SANCHEZ, Gustavo

RAZURI MATOS, Luis Angel

RUIZ BALCAZAR, Kevin Alejandro

RODRIGUEZ EUGENIO, Jhely Valery

SANTILLAN TELLO, Brayan

YACHA SOLIS, Cristian

ZELAYA MOYA, Anhel

CICLO : IX

Tingo María

2016

I. INTRODUCCIONEn el marco de la Feria Internacional del Café (SCAA 2015), se

ratificó al Perú como el segundo productor y exportador mundial de café

orgánico detrás de México, lo que ha permitido conquistar casi 50 países en el

globo que adquieren nuestro producto, según expresó el ministro de Agricultura

y Riego, Juan Manuel Benites. Sin embargo, se ha demostrado en Costa Rica

que el beneficio o el procesamiento de un 1kg del café equivale a 5 o 6

personas contaminando diariamente, es un impacto de ambiental demasiado

fuerte. Los procesos de beneficio húmedo de café producen volúmenes

incontables de aguas residuales conocidos como aguas mieles, las cuales se

vierten directamente a los cuerpos de agua cercanas a sus plantas, y en su

gran mayoría sin alguna intervención de tratamiento previo. Este altera el

equilibrio natural de los ambientes acuáticos, debido a la carga orgánica, que

lleva consigo, y diferentes características al agua natural por lo que

consecuentemente llevaría a la extinción de las especies acuáticas que habitan

en ella.

Por otro lado, el tratamiento de las aguas residuales presenta

varios problemas como el consumo de considerables cantidades de energía

eléctrica para los procesos de aireación y recirculación, el gran espacio

ocupado por los reactores empleados, los costos derivados de la instalación de

las dos tecnologías necesarias y los costos del almacenamiento de los lodos.

Desde hace varios años se sabe de la presencia de

microorganismos en las aguas residuales que son capaces de degradar

materia orgánica y generar corriente eléctrica. Las celdas de combustible

microbianas (CCM), el nombre que se le ha dado al sistema que aprovecha las

características de los mencionados microorganismos, podría proporcionar una

respuesta a varios de los problemas mencionados anteriormente.

El propósito de este sistema no sería competir con las tecnologías

existentes para generación de electricidad a gran escala, sino tratar el agua

residual y obtener durante el proceso un producto de valor agregado. Es decir,

ver el tratamiento de aguas residuales como un proceso que valoriza la materia

orgánica presente.

Bajo condiciones adecuadas de desarrollo tecnológico, este tipo de

proceso podría no solamente ser empleado a gran escala para el tratamiento

de las aguas residuales de una gran ciudad o industria, sino también sería

factible para ser instalado en pequeñas comunidades habitacionales o incluso

en comunidades dispersas o aisladas del país.

Ante lo mencionado surge la siguiente interrogante ¿las celdas de

combustible microbiana serán capaces de reducir la carga orgánica presente

en los dos efluentes de la industria cafetalera?

Creemos que las celdas si logran reducir la carga orgánica y

cumple con los límites máximos permisibles, del mismo modo pensamos que

es posible que las celdas de combustible microbiana si logran reducir la carga

orgánica pero no cumple con los límites máximos permisibles

OBJETIVO GENERAL

- Determinar el porcentaje de remoción de materia orgánica de

efluentes de la industria cafetalera y la cantidad de energía

producida mediante las celdas de combustible microbiana.

OBJETIVOS ESPECIFICOS

- Caracterizar las aguas mieles producidas en la industria del café.

- Determinar la variación de los parámetros temperatura, pH, sólidos

totales y conductividad.

- Determinar la tasa de remoción de materia orgánica por las celdas

de combustible microbiana.

- Determinar el potencial electroquímico.

- Diseñar un modelo neuronal para la estimación de la energía

producida y de la remoción de materia orgánica.

II. REVISIÓN DE LITERATURAII.1. Antecedentes

Históricamente, el primer objetivo del tratamiento de aguas

residuales era reducir el contenido en materia en suspensión del agua y la

Demanda Biológica de Oxígeno, pero con el desarrollo industrial y el

crecimiento de las poblaciones, los caudales y las concentraciones de las

aguas residuales han ido aumentando considerablemente razón por la cual se

hace indispensable un tratamiento antes de su disposición final. Cabe

mencionar que los métodos empleados para el tratamiento de las aguas

residuales han sufrido una constante evolución, desarrollo tecnológico y

científico en mira al cambio climático y a factores sociales, económicos y

políticos de las poblaciones.

Por otra parte, la creciente atención por el medio ambiente da el

punto de partida para la obtención de energías alternativas las cuales se están

convirtiendo en medidas para mitigar el cambio climático, así como una

solución a problemas de suministro de energía a poblaciones con un escaso

suministro y como ahorro económico.

Las celdas de combustible microbianas han generado gran interés

a nivel internacional no solo por tratarse de una fuente de energía alternativa

sino también por la ventaja de poder tratar aguas residuales simultáneamente

al proceso de generación de energía.

Dado al creciente interés de un sistema de tratamiento de aguas

residuales basado en la utilización de celdas de combustible microbiana para la

generación simultánea de energía eléctrica han proporcionado una gran

oportunidad para el desarrollo científico y tecnológico de este tema, entre los

proyectos existentes podemos destacar:

PISTONESI, Gustavo (2010) en la Universidad Tecnológica

Nacional, realizó un proyecto de investigación titulado: “Energía a partir de las

aguas residuales”. En éste estudia la conversión de la energía química en

eléctrica mediante la utilización de una célula de combustible microbiana

(Microbial Fuel Cell, MFC). En las MFC se utilizan microorganismos para oxidar

el combustible, materia orgánica, y transferir los electrones a un electrodo

(ánodo), que está conectado a un cátodo a través de un material conductor que

contiene una resistencia. La oxidación del elemento combustible consiste en la

pérdida de uno o más electrones (de valencia) que son los que capta el

elemento comburente al reducirse. De esta manera, se considera el proceso de

combustión de un elemento combustible frente a otro comburente, como la

cesión de electrones de uno a otro, y la liberación de energía.

El proyecto de grado que lleva por nombre “Descripción y

modelado de una pila de combustible de membrana de intercambio protónico".

Realizado por MAYANDÍA, Antonio (2009). De la Universidad Carlos III de

Madrid, España, cuyo propósito fue el estudio del diseño y comportamiento de

una pila de combustible de Membrana de Intercambio de Protones, ya que este

tipo de pila ofrece una gran gama de características para sus aplicaciones

portátiles y de automoción, además que es capaz de generar electricidad a

partir de hidrógeno proveniente de diversas fuentes y de oxigeno atmosférico.

El autor identifica las ecuaciones termodinámicas y electroquímicas que

regulan el comportamiento de la pilas tipo PEM, y diseña un modelo en el

software Matlab/Simulink, el cual es solo valido para pilas operadas a bajas

temperaturas por debajo de los 100°C.

RAMÍREZ, Héctor Enrique (2013) en la Universidad Nacional

Autónoma de México, desarrolló un proyecto de grado para optar al título de

Ingeniero Químico titulado: “Generación de electricidad de una celda de

combustible microbiana de tipo PEM”. En el mismo se determinó

experimentalmente el efecto de algunos tipos de inóculos sobre la generación

de electricidad de una celda microbiana intercambiadora de protones; los

resultados de este proyecto consistieron en el diseño de la celda con los

materiales adecuados para su correcto funcionamiento, así como la realización

de las pruebas con tres tipos de inóculos: liofilizado, lodos activados y una cepa

pura y por último la comparación de los resultados obtenidos para cada inóculo

utilizado.

Entre los artículos científicos relacionados con el tema podemos

destacar:

“Production of electricity during wastewater treatment using a single

chamber microbial fuel cell”, Autores: HONG Liu, RAMANATHAN

Ramnarayanan y BRUCE Logan (2004) de la Universidad Estatal de

Pennsylvania. Demostraron que es posible producir electricidad en una celda

de combustible microbiana, mediante el uso de las aguas residual doméstica,

logrando simultáneamente el tratamiento biológico de la misma, permitiendo la

reducción de la demanda química de oxígeno. El tipo de celda utilizada fue de

una sola cámara con ocho electrodos de grafito en el ánodo y un solo cátodo

aireado. El sistema fue operado en condiciones de flujo continuo con el efluente

de un sedimentado primario obtenido de una planta de tratamiento de aguas

residuales local. El prototipo genero un máximo de 26 mW m-2 de energía,

mientras se quitaba el 80% de la DQO del agua residual.

BUITRÓN, Germán y PÉREZ, Jaime (2011) en la Universidad

Nacional Autónoma de México, desarrollaron una investigación publicada como

artículo científico en la Revista Especializada en Ciencias Químico-Biológicas

titulada “Producción de electricidad en celdas de combustible microbiana

utilizando agua residual: efecto de la distancia entre electrodos”, ellos

evaluaron la influencia de la separación de electrodos sobre la producción de

electricidad y la eliminación de materia orgánica en las celdas de combustible

microbiana usando agua residual, su metodología consistió en la construcción

de tres celdas de geometría similar pero con diferentes volúmenes, lograron

una eliminación de materia orgánica del 71% y concluyeron de que la distancia

entre los electrodos no causó efecto negativo en la generación de electricidad

pero si en la potencia volumétrica la cual disminuyo a mayor distancia entre los

electrodos; el máximo voltaje obtenido fue de 660mV en la celda de mayor

volumen (120 mL), mientras que para la celda de 40 y 80 mL fue de 540 mV y

532 mV, respectivamente.

“Generación de electricidad a partir de una celda de combustible

microbiana tipo PEM” Autores: ÁLZATE Liliana, FUENTES Carmen, ÁLVAREZ

Alberto y SEBASTIAN Joshep (2008) de la Universidad Autónoma del Estado

de México, emplearon una celda de combustible microbiana a escala

laboratorio para la generación de electricidad, la celda consistió en dos

cámaras separas por una membrana de intercambio protónico, utilizaron

electrodos de papel carbón y un católico acuoso. Emplearon agua residual

sintética (ARS) como sustrato y las bacterias utilizadas fueron obtenidas de un

inóculo mixto anaerobio de tipo entérico, emplearon resistencias para el circuito

externo de 600 y 1000 Ω obteniendo densidades de corriente de 640 y 336 mW

m-2 , respectivamente. La eficiencia de la celda fue determinada con base a la

eficiencia coulombica y fue de 59,8%, concluyeron que es posible la generación

de electricidad y a la vez tratar el agua residual, y sugirieron que un aumento

del área de los electrodos mejoraría la eficiencia de la celda.

En la Universidad Nacional de Colombia los estudiantes IBÁÑEZ

Rodrigo y HERNÁNDEZ Carlos (2010) desarrollaron un proyecto de grado para

optar al título de Ingenieros Eléctricos titulado: “Tratamiento de aguas

residuales y generación simultánea de energía eléctrica mediante celdas de

combustible microbianas” ellos construyeron de manera secuencial varios

prototipos de celdas de combustible microbianas empleando distintos

materiales y dimensiones, utilizaron agua residual sintética y diferentes fuentes

de flora bacteriana como lodos de rio y excremento de animales (gallinaza,

porquinaza y boñiga) , analizaron los comportamientos de voltaje, corriente y

potencia en el tiempo y los cambios de estas variables en función de las

dimensiones de los electrodos. La máxima corriente que obtuvieron fue de

1.8mA y una eficiencia de remoción de materia organiza del 69.4%.

II.2. Marco legalII.2.1. Legislación Nacional- Ley N° 28611 Ley General del Ambiente aprobada el 13 de

octubre del 2005.

- Ley Nº 27446 - Ley del Sistema Nacional de Evaluación de

Impacto Ambiental, y su modificatoria mediante Decreto Legislativo Nº 1078.

- Política Nacional del Ambiente (Decreto Supremo Nº 012-2009-

MINAM).

- Ley N° 29338, Ley de Recursos Hídricos y su Reglamento

aprobado mediante Decreto Supremo N° 001-2010-AG.

- D.S. N° 023-2009-MINAM Aprueban Disposiciones para la

implementación de los ECA para Agua son referente obligatorio para el

otorgamiento de las Autorizaciones de Vertimientos.

- Ley N° 26842, Ley General de Salud, del 20/07/97 – a través de

DIGESA.

- Resolución Jefatural N° 010-2016-ANA, Aprueba Protocolo

Nacional de Monitoreo de la Calidad de los Cuerpos Naturales de Agua

Superficial.

- R.D. Nº 2254/2007/DIGESA/SA, Programa Nacional de Vigilancia

de la Calidad Sanitaria de los Recursos Hídricos.

- R.J.Nº 202-2010-ANA, de fecha 22 de marzo del 2010, que

resuelve aprobar la clasificación de las aguas superficiales y marino-costeros.

- Decreto Supremo Nº 001-2010-AG, que aprueba el Reglamento

de la Ley Nº 29338 – Ley de Recursos Hídricos.

- Decreto Supremo Nº 003-2010-MINAM: Aprueba Límites Máximos

Permisibles para los efluentes de Plantas de Tratamiento de Aguas Residuales

Domésticas o Municipales.

- Decreto Supremo N° 07-2010-AG, declara de interés nacional la

protección de la calidad del agua en las fuentes naturales y sus bienes

asociados.

- Resolución Jefatural Nº 274-2010-ANA, Programa de Adecuación

de Vertimientos y Reúso de Agua Residual – PAVER.

- Decreto Supremo N° 021-2009-VIVIENDA, Aprueba Valores

Máximos Admisibles (VMA) de las descargas de las aguas residuales no

domésticas en el sistema de alcantarillado sanitario y aprobación de su

reglamento mediante el Decreto Supremo N° 003- 2011-VIVIENDA.

- NTP OS.090 Norma para el Diseño de Plantas de Tratamiento de

Aguas Residuales.

- Artículo 120°.- De la protección de la calidad de las aguas 120.1

El Estado, a través de las entidades señaladas en la Ley, está a cargo de la

protección de la calidad del recurso hídrico del país. 120.2 El Estado promueve

el tratamiento de las aguas residuales con fines de su reutilización,

considerando como premisa la obtención de la calidad necesaria para su reuso,

sin afectar la salud humana, el ambiente o las actividades en las que se

reutilizarán.

- Artículo 121°.- Del vertimiento de aguas residuales El Estado

emite en base a la capacidad de carga de los cuerpos receptores, una

autorización previa para el vertimiento de aguas residuales domésticas,

industriales o de cualquier otra actividad desarrollada por personas naturales o

jurídicas, siempre que dicho vertimiento no cause deterioro de la calidad de las

aguas como cuerpo receptor, ni se afecte su reutilización para otros fines, de

acuerdo a lo establecido en los ECA correspondientes y las normas legales

vigentes.

- Artículo 122°.- Del tratamiento de residuos líquidos 122.1

Corresponde a las entidades responsables de los servicios de saneamiento la

responsabilidad por el tratamiento de los residuos líquidos domésticos y las

aguas pluviales. 122.2 El sector Vivienda, Construcción y Saneamiento es

responsable de la vigilancia y sanción por el incumplimiento de LMP en los

residuos líquidos domésticos, en coordinación con las autoridades sectoriales

que ejercen funciones relacionadas con la descarga de efluentes en el sistema

de alcantarillado público.

- Artículo 122°.- Del tratamiento de residuos líquidos 122.3 Las

empresas o entidades que desarrollan actividades extractivas, productivas, de

comercialización u otras que generen aguas residuales o servidas, son

responsables de su tratamiento, a fin de reducir sus niveles de contaminación

hasta niveles compatibles con los LMP, los ECA y otros estándares

establecidos en instrumentos de gestión ambiental, de conformidad con lo

establecido en las normas legales vigentes. El manejo de las aguas residuales

o servidas de origen industrial puede ser efectuado directamente por el

generador, a través de terceros debidamente autorizados a o a través de las

entidades responsables de los servicios de saneamiento, con sujeción al marco

legal vigente sobre la Para la implementación del “Decreto Supremo N° 015-

2015- MINAM: Modifican los Estándares Nacionales de Calidad Ambiental para

Agua y establecen disposiciones complementarias para su aplicación”

II.2.2. Legislación internacional

Nuestro país adolece de límites máximos permisibles para reuso de

aguas residuales tratadas, para ello puede usar la legislación internacional de

la Guías OMS:

- Guías OMS para el uso seguro de aguas residuales, excretas y

aguas grises, Volúmenes 1-4, 3ra edición. 2006.

II.3. Marco conceptual- Ánodo. Es el electrodo en el que se lleva a cabo la oxidación

(CHANG, 2002).

- Anión. Un ion cargado negativamente; un átomo o un grupo de

átomos que han ganado uno o más electrones (MORTIMER, 1985).

- Agente oxidante. Especie química que en un proceso redox

acepta electrones y por lo tanto se reduce (MORTIMER, 1985).

- Agente reductor. Especie química que en un proceso redox

pierde electrones y por lo tanto se oxida (MORTIMER, 1985).

- Biocátodo. Es el cátodo que contiene bacterias, las cuales

cumplen un rol importante en las reacciones de reducción que se llevan a cabo

en el electrodo. Las bacterias pueden catalizar la reducción del aceptor final de

electrones o la oxidación de metales de transición presentes en el catolito

(RISMANI-YAZDI et al., 2008).

- Cátodo. Es el electrodo donde se efectúa la reducción

(MORTIMER, 1985).

- Catión. Un ión cargado positivamente; un átomo o un grupo de

átomos que han perdido uno o más electrones (CHANG, 2002).

- Celda de combustible. Es una celda electroquímica que requiere

un aporte continuo de reactivos para su funcionamiento (CHANG, 2002).

- Celda de combustible microbiana. Son dispositivos que

emplean bacterias como biotransformadores para oxidar materia orgánica o

inorgánica y generar corriente eléctrica (LOGAN et al., 2006).

- Combustible. Sustancia oxidable que, bajo unas determinadas

condiciones, produce la combustión. Por ejemplo, el carbón (COSTa, 2005).

- Corriente eléctrica. Flujo de cargas eléctricas. El sentido

adoptado para una corriente es aquél en que aparentan moverse las cargas

positivas; es decir, desde los puntos de potencial alto a los de potencial más

bajo (COSTA, 2005).

- Densidad de corriente. Es la corriente eléctrica producida por

unidad de área del ánodo (LOGAN et al., 2006).

- Densidad de corriente volumétrica. Es la corriente eléctrica

producida por unidad de volumen de la CCM (LOGAN et al., 2006).

- Densidad de potencia. Es la potencia producida por unidad de

área del ánodo (LOGAN et al., 2006).

- Energía. Es la capacidad para efectuar un trabajo (CHANG,

2002).

- Energía de activación. Diferencia en energía entre la energía

potencial de los reactivos de una reacción y la energía potencial del complejo

activado (MORTIMER, 1985).

- Energía química. Es una forma de energía que se almacena en

las unidades estructurales de las sustancias (CHANG, 2002).

- Mecanismo de una reacción. Descripción detallada de la forma

como ocurre una reacción con base en el comportamiento de los átomos,

moléculas o iones; puede incluir más de una etapa (MORTIMER, 1985).

- Microorganismos asociados al electrodo. Son aquellos que

emplean al electrodo como material de soporte (WALL et al., 2008).

- Oxidación. Parte de una reacción de óxido-reducción

caracterizada por el aumento algebraico del número de oxidación o por pérdida

de electrones (MORTIMER, 1985).

- Reducción. La parte de una reacción de oxidación-reducción

caracterizada por la disminución algebraica del número de oxidación o por

ganancia electrónica (MORTIMER, 1985).

- Sobrepotencial. Desplazamiento del potencial de un electrodo de

su valor de equilibrio cuando fluye corriente a través del mismo, de la forma

donde es el potencial del electrodo y el potencial de equilibrio. El

sobrepotencial es una medida de la polarización del electrodo a consecuencia

de los procesos que tienen lugar en él durante el paso de corriente. Su valor

depende de la naturaleza del electrodo, incluido el estado de su superficie, de

la densidad de corriente y también de la concentración de la disolución, presión

y temperatura (COSTA, 2005).

- Voltaje de la celda. Es la diferencia de potencial eléctrico entre el

ánodo y el cátodo (CHANG, 2002).

II.4. Marco teórico

II.4.1. Caracterización de aguas residuales

Antes de empezar con las actividades de caracterización, es

preciso conocer las razones que mueven a la industria a realizar el trabajo, lo

mismo que conocer su situación real, tanto desde el punto de vista interno

como externo, con el fin de determinar los límites del estudio y programar el

trabajo adecuadamente. La caracterización de aguas residuales está sujeto a

los objetivos que persigue la Empresa (exigencias de entidades reguladoras,

optimización del recurso, etc.) y está asociada a la información básica que de

ella se tenga.

Dicha información ayuda a determinar el sitio, duración y tipo de

muestreo que se debe realizar y da una idea de los parámetros a analizar en

caso de que la entidad reguladora o quien solicite la caracterización no lo

especifique. Esta información se ampliará de acuerdo con el objetivo que

persiga la industria con la caracterización.

En caso de existir varias descargas, se deberá tener un

conocimiento del tipo de proceso o procesos

En caso de existir varias descargas se deberá tener un

conocimiento del tipo de proceso o procesos que lo generan.

Ya identificado el tipo de descarga, y determinados los sitios de

aforo y muestreo, se realizarán las adecuaciones que sean necesarias para

garantizar confiabilidad en la toma de muestras, ya que de la representatividad

de éstos depende la veracidad de los resultados. Además, se define lo

frecuencia de muestreo y, de acuerdo con los parámetros que se vayan a

determinar, la forma de manejo y preservación de las muestras. Por último,

después de realizado la caracterización, se analizarán los resultados se hará

su interpretación de acuerdo con la información suministrada (Figura 1).

Figura 1. Etapas para el desarrollo de una caracterización de aguas residuales.

II.4.1.1. Parámetros fisicoquímicos y biológicos

En términos generales los parámetros básicos en la caracterización

de aguas residuales industriales son:

DBO5

DQO

Solidos totales

Solidos suspendidos

Sólidos sedimentables

Grasas y/o aceites

pH en sitio

Temperatura en sitio

Tóxicos (cadmio, cromo, cobre, níquel, plomo y zinc)

II.4.2. Principio de los procesos biológicos en tratamientos secundarios de aguas residuales

Un proceso biológico de tratamiento o depuración de aguas

residuales es un sistema en el cual se mantiene un cultivo de microorganismos

(biomasa) que se alimenta de las impurezas del agua residual (sustrato o

alimento). Estas impurezas son la materia orgánica biodegradable, el amonio,

el nitrato, el fosfato y otros contaminantes a menor concentración. El lugar

donde se ponen en contacto la biomasa con el agua residual para llevar a cabo

el tratamiento se denomina reactor biológico, o biorreactor, y puede ser de

diferentes tipos. Hay que remarcar que en la mayoría de los casos la biomasa

se genera espontáneamente en el reactor biológico, a partir de pequeñas

concentraciones de microorganismos presentes en el agua residual o en el

aire, y de las reacciones biológicas que en el diseño y operación de la planta se

procura favorecer (RICCIUTI, et al, 2009).

II.4.3. Reacciones biológicas

En la Figura N°6 se observa un esquema general de las

actividades de síntesis y respiración que se producen por las actividades

biológicas. Como se muestra en la figura, hay fuentes nutritivas necesarias

como C, O2, H2, N2, P, ya sea como orgánicas o inorgánicas que deben ser

transportadas a la célula en forma soluble. La energía debe suministrarse como

energía contenida en compuestos orgánicos o como energía radiante de la luz

solar. Una fracción de la energía es usada para la biosíntesis de biomasa y la

restante es dispersada como calor. Los microorganismos producen también

productos de desecho que dependen de las especies consideradas y las

condiciones ambientales. Los productos más deseables son gases como CO2,

N2, O2 y CH4, que pueden ser fácilmente separados de la fase líquida. Otros

gases como H2S NH3 y aminas son indeseables. Un requerimiento importante

para la mayor parte de los procesos biológicos usados en el tratamiento de

efluentes es la producción de microorganismos floculantes, que pueden ser

fácilmente separados por medios físicos como sedimentación por gravedad,

centrifugación o filtración. Desde el punto de vista de la polución el

microorganismo debe considerarse como un producto no deseable. La facilidad

de separación y la destrucción por auto oxidación son también aspectos de

gran importancia (RICCIUTI, et al, 2009).

Figura N°6. Reacciones biológicas fundamentales.

Las reacciones biológicas pueden influenciar las reacciones

químicas en la fase líquida del medio ambiente. Por ejemplo, el consumo de

C02 por las algas durante el día puede aumentar el pH y esto ocasiona la

fijación del SH2 como sulfuro.

La estequiometria de las reacciones involucradas en los distintos

tipos de tratamiento es altamente influenciada por las especies de

microorganismos presentes, los compuestos existentes y las condiciones

ambientales impuestas sobre el proceso. Las reacciones típicas son como

sigue (RICCIUTI, et al, 2009):

Figura N°7. Reacciones típicas.

Estas reacciones pueden ocurrir al mismo tiempo, por ejemplo, en

una laguna: fotosíntesis en la parte superior, aerobiósis en la parte media y

anaerobiosis en la inferior. Un inconveniente de las reacciones fotosintéticas es

que el C inorgánico (CO2) es convertido en C orgánico, que es un agente de

polución.

II.4.4. Arquitectura y funcionamiento de una celda de combustible microbiano

Una CCM típicamente está compuesta por dos cámaras (Figura

N°8), una anaeróbica y otra aeróbica en medio de las cuales hay un separador.

La cámara anaeróbica contiene sustratos orgánicos que al oxidarse por acción

de los microorganismos, generan electrones, protones y CO2. En cada una de

las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la cámara anaeróbica y el

cátodo en la cámara aeróbica una vez los electrones se liberan en la cámara

anódica, éstos son captados por el ánodo y posteriormente transferidos hacia

el cátodo mediante un circuito externo. Simultáneamente, en la cámara anódica

se generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del

separador (Li et al., 2011), donde se combinan con el oxígeno del aire para

reducirse a agua con los electrones que captan directamente del cátodo,

debido a que esta reacción no está catalizada por microorganismos el cátodo

se refiere como abiótico (REVELO, et al., 2013).

Figura N°8. Celda de combustible microbiano.

La celda se fabrica en acrílico o en vidrio, para los electrodos se

pueden utilizar diferentes materiales como cobre, platino, grafito u otros (Du et

al., 2007, cit por REVELO, et al., 2013). El separador, que es un importante

componente del sistema porque es una membrana que impide el paso de

electrones de la cámara anódica a la catódica y deja pasar los protones, puede

ser de varios tipos: membrana de intercambio de cationes (MIC), membrana de

intercambio de aniones, membrana bipolar, membrana de microfiltración,

membrana de ultrafiltración, puente salino, fibra de vidrio, membranas porosas

y otros materiales para filtrado El separador más ampliamente utilizado es la

MIC que también se conoce como membrana de intercambio de protones (MIP)

y entre ellas es muy común la Nafion, un producto de DuPont Inc., USA, que

muestra una alta permeabilidad a los protones Una variante de la CCM de

doble cámara se obtiene eliminando la cámara catódica y exponiendo el cátodo

directamente al aire, transformándose así en una CCM de una sola cámara;

este hecho hace que sea un sistema mucho más sencillo y de menor costo.

En los últimos años se han desarrollado CCMs de biocátodo o de

cátodo microbiano, en las que a diferencia de los cátodos abióticos los

microorganismos son usados como biocatalizadores para aceptar electrones a

partir del cátodo y así reemplazar el uso de catalizadores químicos costosos.

Los biocátodos son de dos tipos: (1) biocátodos aeróbicos que usan oxígeno

como el oxidante y microorganismos que asisten la oxidación de compuestos

metálicos de transición, tales como Mn (II) o Fe (II), para la entrega de

electrones al oxígeno; (2) biocátodos anaeróbicos que usan diferentes

compuestos como aceptores terminales de electrones, tales como: nitrato,

sulfato, Mn (IV), Fe (III), selenato, arsenato, fumarato, perclorato, cloroetenos,

2-clorofenol, ClO4-, U (VI), Cr (VI), H+, CO2, entre otros (Sharma y Kundu,

2010; Huang et al., 2011). Estos biocátodos son de gran interés por su bajo

costo, capacidad auto-regenerativa y sostenibilidad y además porque pueden

contribuir a disminuir los altos potenciales catódicos.

II.4.5. Transferencia de electrones desde el microorganismo al ánodo.

En un bioánodo existen bacterias electroquímicamente activas

(Chang et al., 2006) que transfieren los electrones directamente al ánodo a

través de proteínas de membrana como los citocromos tipo c, o de conductos

proteicos denominados pili que sirven como nanoconductores; estudios

genéticos han demostrado que la eficiente transferencia de electrones a través

de una biopelícula de Geobacter sulfurreducens requiere de su presencia.

Otras bacterias que no pueden hacerlo debido a la naturaleza no conductiva de

su membrana celular, requieren de mediadores de electrones exógenos o

endógenos. Estos mediadores se reducen durante la oxidación metabólica de

materiales orgánicos y su forma reducida es luego re-oxidada al transportar los

electrones hacia el ánodo, el cual se mantiene a un alto potencial eléctrico

(CHANG, 2002), este proceso cíclico permite una mayor velocidad de

transferencia de electrones incrementando la salida de energía.

Los buenos mediadores deberían poseer las siguientes

características: atravesar la membrana celular fácilmente, tomar los electrones

a partir de la cadena transportadora, poseer una alta velocidad de reacción con

el electrodo, tener una buena solubilidad en el anolito, no biodegradables ni

tóxicos para los microorganismos, de bajo costo y que tengan un potencial de

reducción lo más cercano posible al del componente biológico para mantener

una adecuada transferencia de electrones. Es común usar mediadores

exógenos sintéticos (tintes y metal orgánicos) tales como: rojo neutro, azul de

metileno, tionina, azul de meldola, 2-hidroxi-1,4-naftoquinona, Fe (III) EDTA y

otros compuestos hidrofílicos (Chang, 2002). Desafortunadamente, la

inestabilidad de los mediadores sintéticos, su costo y su alta concentración,

que llegaría a ser tóxica para el microorganismo, limita sus aplicaciones en las

CCMs (Chang, 2002); por lo tanto, las CCMs sin mediadores son ventajosas en

el tratamiento de aguas residuales y la generación de energía porque se

elimina principalmente el costo del mediador.

Cuando se utiliza una mezcla de microorganismos es común la

presencia de mediadores endógenos, estos pueden ser metabolitos

secundarios, como en el caso de Shewanella putrefaciens y Pseudomonas

aeruginosa, o metabolitos primarios observados en Escherichia coli y

en Sulfurospirillum deleyianum; los mediadores redox producidos por una

bacteria pueden ser usados por otras para transferir los electrones al ánodo.

II.4.5.1. Microorganismos con capacidad de respiración electrónica Se ha intentado identificar y aislar las bacterias que tienen la

capacidad de transferir los electrones a un electrodo. Varios estudios indican

que la actividad metabólica más similar a la transferencia de electrones en una

MFC es la reducción desasimilatoria de metales (Bond et al., 2002; Chaudhuri y

Lovley, 2003; Bretschger et al., 2007) En ausencia de oxígeno, las bacterias

reductoras desasimilatorias de metal (DMRB por sus siglas en inglés)

transfieren sus electrones a un metal como el hierro o el manganeso, que actúa

como receptor terminal de electrones (Lovley, 1993). En una MFC, el hierro o el

manganeso es sustituido por el ánodo, al cual las bacterias entregan electrones

generados debido a la oxidación de compuestos orgánicos. Sin embargo, no

todas las DMRBs son capaces de transferir electrones hacia el ánodo de un

MFC (Miller y Oremland, 2008). Entre los tipos de reducción de metales

posibles, la reducción de hierro es el proceso más cercano a lo que ocurre en

una MFC, por lo tanto la investigación ha tratado de enriquecer los cultivos con

actividad reductora desasimilatoria de hierro (Chaudhuri y Lovley, 2003;

Holmes et al., 2004; Lovley, 2008 citado por SAAVEDRA, I. 2012).

Entre las especies de microorganismos por primera vez reportados

con actividad reductiva del electrodo se encuentran Clostridium, Geobacter,

Aeromonas, Rhodoferax, Desulfobulbus y Shewanella, todos son capaces de

reducción desasimilatoria de metales (especialmente del hierro) (Bretschger et

al., 2007). Los electrones pueden ser transferidos al ánodo en cualquiera de las

siguientes maneras: (i) transferencia directa por medio de estructuras

bacterianas llamada nanocables, (ii) transferencia indirecta, utilizando

lanzaderas intermedias de electrones, la conducción a través de la matriz de

exopolisacáridos (EPS) del biofilm, o una combinación de estos mecanismos

(Logan y Regan, 2006a; Lovley, 2008; Rittmann, 2008). Un importante trabajo

de investigación sobre Shewanella putrefaciens indicó que citocromos

específicos en la membrana celular vuelven a la bacteria electroquímicamente

activa cuando se cultiva en condiciones anaerobias (Kim et al., 2002). Estudios

recientes han encontrado un predominio de Gamma proteobacteria, Beta

proteobacteria, Rhizobial, y Clostridia en la superficie del ánodo de MFC con

sustrato orgánico (Lovley, 2008). MFC de cultivos mixtos generan mayores

densidades de potencia que cultivos puros, tal vez debido a las interacciones

sinérgicas dentro de las comunidades en torno al ánodo, ligado a la

participación de cepas actualmente desconocidas y sus respectivos

mecanismos de transferencia de electrones (Jung y Regan, 2007 citado por

SAAVEDRA, I. 2012).

II.4.5.2. Microorganismos en la cámara anódica

Presentan una detallada revisión sobre la generación de

electricidad bacteriana en la cámara anódica y señalan que los principales

factores que influyen en la generación de energía son las vías metabólicas que

gobiernan el flujo de electrones y protones, la influencia del sustrato y el

potencial del ánodo. A altos potenciales anódicos, las bacterias pueden usar la

cadena respiratoria en un metabolismo oxidativo y transferir electrones al

ánodo, sin embargo, si el potencial del ánodo disminuye los electrones

probablemente se depositan sobre aceptores de electrones alternativos

(sulfato, nitrato, entre otros) y en su ausencia, ocurrirá la fermentación.

Recientemente se ha demostrado en cultivos mixtos que los

microorganismos fermentativos pueden tener poca o nula capacidad para

transferir electrones al ánodo, sin embargo, su metabolismo contribuye a la

generación de energía en la CCM (Richter et al., 2008) ya que aportan

subproductos que pueden ser utilizados como sustratos por otras poblaciones

microbianas, permitiendo el establecimiento de interacciones sintróficas. Kiely

et al. (2011) discuten diversas publicaciones que caracterizan la comunidad

microbiana de los sistemas bioelectroquímicos, al destacar procesos sintróficos

específicos que capacitan a una biopelícula para la generación de corriente

eléctrica a partir de un sustrato; la sintrofía consiste en que ciertos

microorganismos hidrolizan y fermentan compuestos orgánicos complejos y

otros utilizan los subproductos para la generación de corriente, estableciéndose

una estructura jerárquica con microorganismos dominantes dependiendo del

sustrato empleado.

Con base en lo anteriormente expuesto la formación de una

biopelícula sobre elelectrodo mejora la producción de energía, sin embargo, la

microbiología de una biopelícula en la CCM y las implicaciones de la ecología

microbiana sobre el funcionamiento del sistema han sido poco estudiados

(Lovley, 2008; Bretschger et al., 2010), por lo tanto, conocer los procesos de

colonización, invasión y sucesión de las poblaciones microbianas que producen

electricidad permitirá explorar nuevos métodos para la producción de energía

sustentable y renovable (Logan y Regan, 2006).

II.4.6. Cinética de la remoción de materia orgánica.

A partir de las consideraciones termodinámicas y biológicas, varios

investigadores han formulado uno modelos matemáticos para representa la

degradación de la materia orgánica por parte de los microorganismos. Todos

estos modelos reflejan matemáticamente fenómenos bioquímicos.

Adicionalmente se ha encontrado que los microorganismos efectivamente

utilizan en primer término aquellos compuestos orgánicos de estructura simple,

degradándolos según una reacción caracterizada por una constante de orden

cero (remoción lineal), hasta que la concentración de substrato es muy baja.

Por otra parte, los estudios de Goudy indican claramente que hay remoción o

utilización en secuencia de complejidad de los compuestos orgánicos y el

resultado combinado de este fenómeno es una tasa global de remoción de

primero o segundo orden. En la Figura 4 se presenta la remoción de orden cero

para algunos compuestos puros (VALENCIA, G., sd).

Figura 9. Remoción de compuestos específicos en sistemas aeróbicos.

II.4.7. Remoción en Celdas de Combustible Microbiano.

Las celdas de combustible microbiano (CCM) son dispositivos que

se encargan de convertir energía bioquímica a energía eléctrica mediante

microorganismos. Las bacterias obtienen la energía transfiriendo electrones

desde un donador de electrones, como el acetato o el agua residual (materia

orgánica), hacia un aceptor de electrones, como el oxígeno. Cuanto mayor sea

la diferencia de potencial entre el donador y el aceptor, mayor será la ganancia

energética para la bacteria y, generalmente, mayor será su tasa de

reproducción y, por lo tanto, de eliminación de la materia orgánica. En una

CCM, las bacterias no transfieren directamente los electrones a un aceptor final

de electrones característico, sino que lo hacen a un electrodo, es decir hacia un

ánodo. Posteriormente, los electrones pasan a través de una resistencia, u otra

carga, hacia un cátodo, por lo que los electrones generados en la reacción son

“cosechados” y convertidos directamente en energía eléctrica. El carbono

orgánico es transformado a CO2 (BUITRON, et al., 2011).

La Figura 10 muestra la cinética de la degradación del sustrato,

medido como carbono orgánico total (COT), para las tres CCM. El promedio de

la degradación del carbono de las celdas fue del 71%. En todos los casos la

remoción del sustrato fue acompañada de generación de voltaje. Es interesante

observar cómo el máximo de voltaje se obtiene justo después de una rápida

disminución de materia orgánica. Pasada esta etapa, la velocidad de remoción

de materia orgánica disminuye, al igual que la generación de electricidad

(BUITRON, et al., 2011).

Figura 10. Cinética de remoción de COT y generación de voltaje para tres tipos

de celdas microbianas.

II.4.7.1. Eficiencia de la remoción de materia orgánica usando celdas de combustible microbiana.

Las celdas de combustible microbiana, MFC se han propuesto

como un método para tratar las aguas residuales, y por lo tanto es importante

evaluar el desempeño global en términos de demanda bioquímica de oxígeno

(DBO), demanda química de oxígeno (DQO), o la remoción de carbono

orgánico total (COT).

Para evaluar el rendimiento de la celda es común centrarse en la

eliminación de la demanda química de oxigeno (DQO), tal parámetro como se

ha mencionado anteriormente es fundamental en la eficiencia del tratamiento

de aguas residuales, y además la remoción del DQO es necesaria para los

cálculos de la eficiencia Coulombica y la energía.

La eficiencia de remoción del DQO, denotada como (ECb) puede ser calculada

como el cociente entre el DQO eliminado y el afluente [o el cociente entre el

DBO eliminado y el afluente eliminado, como el caso de la presente

investigación]. Este parámetro mide cuanto del combustible disponible se ha

convertido en la MFC, ya sea en corriente eléctrica (a través de la eficiencia

Coulumbica) o biomasa (a través de la producción de crecimiento) o a través

de reacciones competitivas con receptores de electrones alternativos (por

ejemplo, oxigeno, nitrato y sulfato) (CASTRO, 2014).

II.4.8. Potencial de una celda de combustible

Potencial de una celda de combustible. Como anteriormente se ha

mencionado el mayor logro de una celda de Combustible es el hecho de

extraer la energía contenida en un combustible, y transformarla directamente

en electricidad. Para un proceso a presión constante, esta cantidad de energía

va a depender de la entalpia de reacción del combustible utilizado.

Si dicha entalpia se expresa en función de la Energía Interna antes

mencionada, se obtiene la siguiente ecuación:

d H = T dS = dU + dW

De acuerdo con la ecuación, se puede deducir que el calor

desarrollado en una reacción se debe a cambios en la energía interna del

sistema, la cual se produce por cambios y reconfiguraciones de los distintos

enlaces químicos que lo componen. El calor o entalpia de una reacción química

es la diferencia entre los calores de formación de los productos y los

reactantes.

II.4.8.1. Potencial Electroquímico

El estudio realizado por Alzate-Gaviria, L., et al. sobre la evaluación

del desempeño e identificación de exoelectrógenos en dos tipos de celdas de

combustible microbianas con diferente configuración en el ánodo, especifican

que la arquitectura de las celdas tiene una gran relevancia en la generación de

corriente eléctrica, las dimensión y caracterización del ánodo y también las

variables que intervienen en la potencia eléctrica como el pH y Temperatura.

La relación de generación de corriente y degradación del sustrato

no siempre está directamente proporcional, para eso se debe tener en cuentas

todos los parámetros que intervienen en el proceso. Otros estudios sobre la

potencia eléctrica de las celdas de combustible microbianas usan mediadores

para generar mayor contacto entre los electrones generados por la degradación

de la materia orgánica y el ánodo, en otros estudios se menciona la importancia

de la formación de biopeliculas para que el contacto sea más directo sin

necesidad de usar mediadores.

II.4.8.2. Generación de potencia

La generación de potencia se expresa mayormente en W/m3.

Para determinar la potencia total de CCM se expresa mediante la

fórmula:

Que se obtiene de potencial para el cátodo:

Y se obtiene de potencial para el ánodo:

El electrodo debe presentar mayor área superficial de contacto,

permitiendo así a los microorganismos mayor posibilidad de poblarlo y por tanto

aumentar la producción de electrones. Al aumentar la generación de energía

aumenta también la disponibilidad del sustrato, reflejándose en valores de

remoción de materia orgánica más elevados. La densidad de potencia más alta

que reporta las literaturas es de 3600mW/m2, utilizando glucosa como sustrato

y hexacianoferrato de potasio para optimizar el rendimiento del cátodo (Rabaey

et al., 2005). De igual forma, el ferrocianuro es muy popular como aceptor de

electrones en experimentos en CCM y puede producir voltajes mayores

utilizando solo el O2. La gran ventaja del ferrocianuro es el bajo sobrepotencial

utilizando cátodos de carbón plano; sin embargo, la generación de potencia con

ferrocianuro no es sustentable debido a la insuficiente reoxidacion por O2, lo

cual requiere que el catolito sea reemplazado regularmente, contribuyendo a la

generación de pasivos tóxicos recalcitrantes al medio ambiente. Además, a

largo plazo el sistema puede ser afectado por la difusión de ferrocianuro a la

cámara del ánodo (LOGAN y REGAN, 2006).

II.4.9. Correlación de la tasa de remoción y la generación energéticaLa ECb es otro parámetro que se utiliza para el análisis del

desempeño eléctrico de una CCM y cuantifica la producción de corriente

eléctrica durante todo el ciclo, a diferencia de la Densidad de Potencia cuya

medición refleja la generación de voltaje en un solo punto del ciclo, el cálculo

de la ECb se basa en determinar la carga eléctrica que circula por la resistencia

externa con relación a la carga generada en la cámara anódica, la que se

establece a partir de la remoción de materia orgánica al final del ciclo

(REVELO, et al., 2015).

La Eficiencia Columbica ECb, es definida como la relación entre el

total de Culombios que son transferidos al ánodo desde el sustrato, al máximo

Culombios posibles si todo el sustrato consumido produce corriente eléctrica.

Para el flujo continuo a tevés del sistema, se calcula la eficiencia culombica en

base a la corriente generada en condiciones estables como:

Donde, M es el peso molecular de oxígeno, F es la constante de

Faraday, b es número de electrones producidos por mol de oxígeno, ∆DQO es

el cambio en la DQO con tiempo (influente y efluente), y q es la tasa de flujo

volumétrico (CASTRO, 2014).

II.4.10. Influencia de parámetrosII.4.10.1. Influencia del pH

Otro parámetro importante en el desempeño de las celdas de

combustible microbianas es el pH de los ánodos. Durante el presente estudio

que se está analizando se mantuvo en los anolitos un pH de 6,0. Las Figuras

11 y 12 muestran la relación entre la producción de potencia volumétrica de

ambos dispositivos y el pH. Como puede apreciarse, las más altas densidades

de potencia ocurrieron en valores de pH entre 6,3 y 6,9 obteniéndose

resultados que oscilaron desde 4,2 a 11,5W/m3 para la CCM1 y entre 25 y

53W/m3 para la CCM2. La densidad de potencia mantuvo una tendencia a la

estabilidad en relación al pH. Cabe resaltar que la mayoría de las bacterias

(bacterias entéricas) empleadas en estos sistemas no tolera niveles de pH

arriba de 7,5 o debajo de 4,0. Además, valores de pH por debajo de 6,8 inhiben

la actividad metanogénica (Metcalf & Eddy 1995; Angenent et al., 2004, cit por

CASTRO, 2014).

Figura N° 11. Desempeño de CCM1 en pH y W/m3.

Fuente: Imagen compartido del estudio de Alzate-Gaviria, L., et al.

Figura N° 12. Desempeño de CCM2 en pH y W/m3.

Fuente: Imagen compartido del estudio de Alzate-Gaviria, L., et al.

II.4.10.2. Temperatura en el rendimiento de la CCM

Las cinéticas microbianas son más rápidas a mayor temperatura;

sin embargo, el porcentaje de remoción de solidos volátiles no. Es por ello que

una ventaja importante es que pueden producir electricidad a partir de cualquier

materia orgánica, operando a temperaturas moderadas, entre 15-40 °C (Liu et

al., 2005; Aelterman et al., 2006; Oh y Logan, 2007).

II.4.11. Redes neuronales artificiales.

Las Redes Neuronales son un campo muy importante dentro de la

Inteligencia Artificial. Inspirándose en el comportamiento conocido del cerebro

humano (principalmente el referido a las neuronas y sus conexiones), trata de

crear modelos artificiales que solucionen problemas difíciles de resolver

mediante técnicas algorítmicas convencionales.

III. MATERIALES Y METODOSIII.1. Lugar de ejecución. La ejecución del proyecto se realizará en el

Laboratorio de Tratamiento de Aguas Residuales de la Universidad Nacional

Agraria de la Selva.

III.1.1. Ubicación Geográfica:Latitud Sur : 9° 18’ 33.92”

Longitud Oeste : 75° 59’ 56.94”

Altitud : 664 m.s.n.m

III.2. Materiales y Equipos.III.2.1. Materiales:- Agar Agar

- Ceftriaxona

- Papel filtro

- Tubos en U

- Foquitos LED

- Algodón

- Vaso precipitado de 250 mL

- Agua destilada

- Alambre de cobre

- Placa de zinc

- Silicona

- Botellas de plastico de 2.5 L

- Moldimix

- Cuter

- Microorganismos eficientes

- Matraz de 250 mL

- Agar rogoza

III.2.2. Equipos- Equipo multiparámetro

- Multitester

III.2.3. Reactivos químicos- KCl

- ZnSO4

- CuSO4

- NaCl

III.3. Metodología III.3.1. Diseño de la celda de combustible microbiano:

El diseño del equipo a utilizar consta de 2 cámaras: una anaeróbica

y otra aeróbica, entre las cuales hay un separador. La cámara anaeróbica

contiene el agua residual que, al oxidarse por acción de los microorganismos,

generan electrones, protones y CO2; para evitar la acumulación de gases, la

cámara anaerobia tendrá una salida de gases conectada a la zona de recogida

de gases, que consta de un recipiente lleno de agua para evitar el ingreso de

oxígeno a la cámara anaeróbica.

En cada una de las cámaras se coloca un electrodo, el ánodo en la

cámara anaeróbica (Placa de zinc) y el cátodo (cobre) en la cámara aeróbica,

una vez los electrones se liberan en la cámara anódica, éstos son captados por

el ánodo y posteriormente transferidos hacia el cátodo mediante un circuito

externo (cableado de cobre). Simultáneamente, en la cámara anódica se

generan protones que migran hacia la cámara catódica a través del separador

o puente salino (cloruro de sodio), donde se combinan con el oxígeno generado

con la aireación de una bomba pequeña, para reducirse a agua con los

electrones que captan directamente del cátodo; ver plano en anexos.

III.3.2. Variables:Independientes:

Aguas residuales de la empresa naranjillo 1 (afilador)

Aguas residuales de la empresa naranjillo 2 (naranjillo)

Dependientes:

DBO, OD, pH, Temperatura, Sólidos totales, sólidos suspendidos

volátiles, conductividad.

III.3.3. Fase experimental:III.3.3.1. Elaboración de un puente salino para la celda de

combustible microbiano:

Primero se procederá a elaborar el puente salino, realizando una

disolución saturada de cloruro de sodio, para lo cual se utilizarán 40 gramos de

cloruro de sodio en 100 ml de agua, una vez obtenida la solución saturada es

necesario que esta se encuentre en un estado gélido para evitar su mezcla con

los demás líquidos con los que entrará al unir las cámaras anaeróbica y

aeróbica, para lo cual se mezclara con agar, siendo 5 gramos de agar por cada

60 ml de disolución saturada de cloruro de sodio, además añadieron 0.1050 mg

de antibiótico ceftriaxona, para evitar la proliferación de microorganismos en el

puente salino.

Para probar que exista conductividad de iones en el puente salino,

se elaboraran celdas galvánicas utilizando dos vasos de precipitados, los que

contendrán sulfato de zinc, donde se sumergirá el ánodo (zinc) y sulfato de

cobre, donde se sumergirá el cátodo (cobre), además de las conexiones de

cobre que unirán los electrodos a un multitester para determinar si existe

producción de energía; siendo el caso de que no exista producción de

energías, se deberá a que la concentración de cloruro de sodio se encuentra

excedida por la del agar utilizado, por lo que no se permite la correcta

conducción de iones a través del puente salino.

III.3.3.2. Elaboración de la celda de combustible microbiano:

Siendo 5 litros la cantidad de agua a tratarse, se utilizarán los 2

envases de este volumen como cámaras, se les acoplaran en las tapas la

entrada del cableado al cual se unirán los electrodos (Zinc para la cámara

anaeróbica y cobre para la aeróbica), el ánodo consistirá en una multicapa

compuesta por 5 capaz de placas de zinc y 4 capas de carbón interpuestas,

cubiertas por un saco de tela para evitar su disgregación; en la cámara

anaeróbica se colocará una manguera que la conecte con el colector de gases,

que constara de un recipiente con agua dentro del cual se unirá la manguera,

considerando que la salida de esta se encuentre sumergida, para evitar el

ingreso de oxígeno a la cámara anaeróbica.

En el segundo envase (cámara aeróbica se unirá en la una

manguera pequeña que irá conectada a la bomba de aireación (bomba de

pecera); el cableado de cobre se conectará a un multitester para tomar los

datos de voltaje producido.

III.3.3.3. Activación de los microorganismos eficaces a utilizar.

Se utilizaran microorganismos eficaces EM AGUA®, es un cultivo

mixto de microorganismos benéficos de origen natural usado para el

tratamiento de aguas contaminadas y para restaurar el equilibrio natural de los

sistemas acuáticos, trayendo consigo efectos benéficos y sostenibles.

Para la activación de los microorganismos EM AGUA®, se

mezclará al producto con agua destilada en proporción 1:18 (EM AGUA® :

agua destilada) y melaza (EM AGUA® : melaza) y se dejaran activar en un

medio anaerobio sin presencia de luz durante 5 -7 días; cada litro de

microorganismos activados servirá para 20 litros de agua residual a tratar.

III.3.3.4. Caracterizar las aguas mieles producidas en la industria del café.

Se tomarán muestras de 10 litros de agua de cada efluente

determinado, de las cuales 5 litros serán utilizados para el tratamiento con las

celdas y los otros 5 litros se utilizarán para realizar los análisis de los

parámetros de entrada, los parámetros como conductividad, temperatura y pH

se medirán en el sitio de descarga, además de realizar mediciones adicionales

antes de realizar las pruebas, se medirán los parámetros de:

- DBO5

- OD.

- Solidos totales

- Solidos suspendidos

- Temperatura.

- pH.

- Conductividad.

Para las mediciones de OD, temperatura, conductividad y pH se

utilizará un equipo multiparámetro.

Para determinar los sólidos totales, sólidos suspendidos volátiles y

DBO, se realizarán las mediciones en laboratorio:

Para sólidos totales se procederá a pesar un crisol, luego se

tomarán muestras de 50 ml que se colocarán en el crisol pesado, para luego

ser sometidos a baño maría hasta evaporarse, luego serán llevadas a una

estufa (103-105°C) durante 1 hora, para ser llevados a un desecador durante 1

hora, para luego ser pesados, la diferencia de peso en gramos dividido entre el

volumen utilizado (50 ml) será el valor de los sólidos totales

Para los sólidos suspendidos volátiles se procederá a tomar la

muestra de 50 ml, colocarla en un crisol (pesado anteriormente) y filtrarla, una

vez utilizado el papel filtro, se procederá a colocarlo ya filtrado en la estufa

hasta incinerarlo y luego se pesará los restos; el resto de la muestra filtrada se

evaporará por medio de baño maría para luego serán llevadas a una estufa

(103-105°C) durante 1 hora, luego será llevada a un desecador durante 1 hora,

para luego ser pesados, la diferencia de peso en gramos dividido entre el

volumen utilizado (50 ml) será el valor de los sólidos disueltos, y el peso del

papel será el valor de los sólidos suspendidos; la diferencia entre el valor de los

sólidos totales y de estos datos obtenidos será el valor de los sólidos

suspendidos volátiles.

Para las pruebas de DBO se medirá realizará una disolución

utilizando agua embotellada, se medirá el OD inicial y el del agua de disolución,

luego se incubarán las muestras por 5 días y se medirá el OD final, para así

calcular la DBO.

III.3.3.5. Tratamiento de agua residual y medición de variables.

Habiendo caracterizado el agua a tratar y teniendo listos los

microorganismos a utilizar se procederá a el tratamiento del agua residual en la

celda de combustible microbiano, el tratamiento durará 3 días, y se medirá el

voltaje producido a lo largo del tratamiento, para así determinar las fases de

mayor productividad energética y relacionarlas con el proceso de adaptación,

picos de mayor actividad de los microorganismos, al final del tratamiento se

medirán las variables de salida:

- DBO5

- OD.

- Solidos totales.

- Solidos suspendidos volátiles.

- pH.

- Temperatura.

- Conductividad.

III.3.4. Análisis de datos:

Para analizar los resultados obtenidos se utilizarán los siguientes métodos para

cumplir con los objetivos propuestos:

III.3.4.1. Para determinar la tasa de remoción de materia orgánica y sólidos totales.

La remoción se entiende como la capacidad del sistema para

eliminar parte de la concentración de contaminantes que se encuentra en el

agua residual. En este estudio, para el cálculo del porcentaje de la remoción

hidráulica, se usará la siguiente ecuación:

Remoción (%) = (Ci–Cf) x 100/Ci

Donde:

Ci= Concentración inicial

Cf= Concentración final

III.3.4.2. Para determinar el Potencial de la Celda de Combustible Microbiano

El desempeño de la CCM se medirá en función de la densidad de

potencia (PAn), la potencia volumétrica (Pv), remoción de DBO (ncoul). La

potencia será calculada (Pccm) mediante la siguiente ecuación:

Densidad de Potencia se refiere a la potencia por unidad de

superficie en una determinada dirección (W/m2).

Donde:

E es el Volteos generados en la celda

I es la Intensidad de corriente

R resistencia interna de la solución (se medirá con el

multitexter)

Una forma de obtener el índice que permita comparar la corriente y

la potencia generada por la CCM se normalizara estas magnitudes respecto al

área efectiva del anodo o al volumen de la celda, resultando en densidades de

potencia PAn y densidad de corriente IAn y de volumen Pv.

La normalización de la densidad de potencia con respecto al área

del ánodo se refiere al área útil del ánodo que tendrá contacto directo con la

biopelicula del cual recibirá los electrones directamente sin que se pierda en la

solución.

Siendo AAn el área superficial del ando en m2.

Finalmente te tendrá la ecuación normalizada con respecto al

volumen V de la celda y así realizar las respectivas mediciones y posteriores

análisis:

La normalización de la densidad de potencia con respecto al

volumen de la CCM se refiere a la actividad de los microorganismos eficaces

por medio de la oxidación de la materia orgánica presente en la cámara

anódica.

Así mismo, la corriente en función del volumen de la CCM:

La ndbo será cuantificada para la remoción de materia orgánica del

sistema realizada por los microorganismos eficaces:

ndbo¿DBOinicial−DBO final

DBOinicialx 100=DBOeficiente−DBO final

DBOeficientex100

Con respecto a la eficiencia coulombimetrica, se referirá a la

eficiencia de transferencia de electrones disponibles en el sustrato hacia el

ánodo realizada por los microorganismos eficaces y puede ser calculada

mediante la ecuación:

Donde CRS es la carga eléctrica real debido al sustrato que se

convierte en energía eléctrica:

CTS es la carga eléctrica teórica debido al sustrato:

CTS ¿f .Bdbo . (DBOi−DBOf ) .V

Mdbo

Además:

F: es la constante de Faraday 96 485.33 Coulombs/mol e-

Bdbo: mol de e- por la DBO (4 moles de e- cuando la base

de expresión del DBO es oxigeno molecular 02)

DBOi: DBO inicial (g/ml)

DBOf: DBO final (g/ml)

V: volumen de la CCM (L)

Mdbo: peso molecular del DBO (32 g O2/mol DBO)

Estas variables de respuesta ayudaran a determinar el desempeño

real de una CCM, y a menudo, directa o indirectamente, contribuyen a

identificar cual o cuales perdidas irreversibles son las importantes en la CCM, y

así implementar las modificaciones y mejoras requeridas.

III.3.4.3.Diseño y entrenamiento de un modelo neuronal:

III.3.4.3.1.Análisis de correlación de los parámetros que influyen en la reducción de la materia orgánica en una celda de combustible microbiano:

En esta etapa se utilizará el software R y su librería Openair, el cual

tiene una función llamada CorPlot de la que obtendremos una matriz de

correlación de Pearson de los parámetros que influyen en la reducción de

materia orgánica (Temperatura, pH, Sólidos suspendidos volátiles) y la materia

orgánica reducida, asimismo se obtendrá una gráfica que nos permitirá

seleccionar los parámetros influyen en la reducción de esta.

Este procedimiento también será aplicado para la estimar energía

producida por el sistema, pero en este caso se utilizará los siguientes

parámetros: Temperatura, pH, Volumen, conductividad y el área del zinc.

III.3.4.3.2.Diseño de la red neuronal artificial:Se utilizará la red Perceptron Multicapa del tipo Backpropagation o

de retropropagación ya que diversos estudios han demostrado que se puede

aproximar cualquier función si se escoge una adecuada configuración y

cantidad apropiada de neuronas en la capa oculta (SORIA, 2012). Asimismo,

se utilizará el software Matlab R2014a que cuenta con un toolbox de redes

neuronales que facilitará el diseño de nuestra red.

En el diseño de nuestra red se tendrán las siguientes

consideraciones:

- Cantidad de neuronas:

En esta etapa se aran varias pruebas, hasta llegar al doble de la

cantidad de patrones de entrada como lo recomienda HECHT-NIELSON (1897)

- Normalización de la Base de datos:

Antes de entrenar la Red Neuronal Artificial se realizará la

normalización de los valores para que se encuentren en el intervalo de 0 y 1

pues las funciones de activación que se utilizaran se encuentran acotadas en

ese rango.

- Funciones de activación:Para aprovechar la capacidad de las Redes Neuronales Artificiales,

se utilizarán la función Sigmoidal Logística en la capa oculta y una función

Lineal en la capa de salida.

- Elección del valor inicial de los pesos:SORIA,2009 recomienda que en esta etapa asignar valores

aleatorios, en un rango de -0.5 y 0.5.

- Validación de la Red Neuronal Artificial: Para verificar la capacidad de generalización de la Red Neuronal

Artificial, una vez obtenido el modelo se utilizarán valores que no hayan sido

utilizados en la etapa de entrenamiento, estos serán suministrados a la red y se

observara los errores de estimación.

III.3.5. Evaluación de la calidad del agua tratada:

Se utilizarán los límites máximos permisibles cuyo cumplimiento es

exigible por el MINAM y los organismos que conforman el Sistema de Gestión

Ambiental para determinar si el tratamiento realizado al agua ha removido

exitosamente la cantidad de materia orgánica, sólidos totales y si los

parámetros de T°, pH cumplen con estos estándares. (Cuadro N°1)

Cuadro N°1: Límites máximos permisibles para vertimiento de aguas

residuales.

Parámetro unidad LMPDBO mg/l 100pH unidad 6.5 - 8.5Temperatura °C < 35°Sólidos Totales mg/l 150

IV. COSTOS Y PRESUPUESTOSIV.1. Costos y presupuestos generales

COSTOS Y PRESUPUESTOS: Diseño de una celda de combustibles microbiana para el tratamiento de aguas mieles de la industria del café

PARTIDAS

Caracterización de las aguas mieles producidas en la industria del café 270

Elaboración del puente salino 150

Solución de prueba 53.5

Electrodo 34.5

Estructura de prueba (prototipo) 24.8

Estructura 39.5

Cubierta para los electrodos 7.5

Microorganismos 119

TOTAL 698.8

IV.2. Costos y presupuestos a detalle

COSTOS Y PRESUPUESTOS: Diseño de una celda de combustibles microbiana para el tratamiento de aguas mieles de la industria del café

Descripción Unidad

Metrado

Precio (S/)

Parcial

PARTIDA: Caracterización de las aguas mieles producidas en la industria del café 270

Alquiler de equipo multiparámetro día 3 80 240

Alquiler de los servicio de Laboratorio día 1 30 30

PARTIDA: Elaboración del puente salino 150

Agar Agar kg 0.02 500 10

Ceftriaxona g 0.3 15 4.5

KCl kg 0.04 350 14

Papel filtro und 4 3 12

NaCl kg 0.04 400 16

Tubos en U und 6 0.5 3

Multitester día 3 25 75

Foquitos LED und 2 1 2

Alquiler de equipo de prueba día 1 10 10

Algodón und 1 3.53.5

PARTIDA: Solución de prueba 53.5

Vaso precipitado de 250 mL und 2 3 6

CuSO4 kg 0.05 350 17.5

Agua destilada L 5 3 15

ZnSO4 kg 0.05 300 15

PARTIDA: Electrodo 34.5

Soldadura punto 3 1.5 4.5

Alambre de cobre m 10 2 20

Placa de zinc m2 0.5 20 10

PARTIDA: Estructura de prueba (prototipo) 24.8

Manguera de suero m 2 3.5 7

Silicona und 1 9 9

globos pequeños und 5 0.1 0.5

Botellas de plastico de 2.5 L und 4 0.2 0.8

Moldimix und 1 5 5

Cuter und 1 2.5 2.5

PARTIDA: Estructura 39.5

Recipiente de plastico hermetico und 2 15 30

Manguera de suero m 1 3.5 3.5

Recipiente de plastico transparente und 1 6 6

PARTIDA: Cubierta para los electrodos 7.5

Gaza und 1 5 5

Carbón kg 0.5 3 1.5

Hilo und 1 1 1

PARTIDA: Microoganismos 119

Microorganismos eficientes L 1 80 80

Matraz de 250 mL und 2 3 6

Agar rogoza kg 0.006 500 3

Alquiler de los servicios de laboratorio día 1 30 30

TOTAL 698.8

V. CRONOGRAMA

ACTIVIDADESABR MAY JUN JUL

1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3 4 1 2 3

Recopilación de información del proyecto de investigación x x

Selección y Activación de microorganismo eficientes x x x

Elaboración de las soluciones saturadas, para la realización del puente salino x x

Elaboración de soluciones molares x x

Elaboración de los electrodos x x

Prueba del puente, por medio de las soluciones molares x x

Construcción del prototipo x x

Toma de datos x x

Elaboración de la cubierta de los electrodos x x

Construcción de la CCM x x x

Recolección y Toma de muestras x x x x x x

Evaluación microbiológico, fisicoquímico y potencial eléctrico x x x x x

Análisis e interpretación de datos x x x

Ajustes para el modelo matemático x x x

Elaboración del informe final x x x x

VI. REFERENCIA BILBIOGRAFICA

ALZATE-GAVIRIA, L., K. GONZÁLEZ, I. PERAZA, O. GARCÍA, J.

DOMÍNGUEZ, J. VÁZQUEZ, M. TZEC- SIMA Y B. CANTO-CANCHÉ.

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