ES2224699T3 - Disolucion de sustancias residuales de fermentacion. - Google Patents

Disolucion de sustancias residuales de fermentacion.

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Abstract

Procedimiento para la degradación de residuos de fermentación difícilmente degradables o no degradables de forma anaerobia, que contienen un elevado porcentaje de sustancias inorgánicas, de más del 40% referido a la sustancia seca, donde los cultivos puros o las mezclas de cultivos puros de hongos del tipo Eumycota se cultivan con los residuos de fermentación en condiciones aerobias, en un medio acuoso, y donde

Description

Disolución de sustancias residuales de fermentación.
La presente invención se refiere a un procedimiento para la disgregación de restos de fermentación, en particular para la degradación de restos de fermentación formados durante una fermentación y compuestos en un porcentaje importante por sustancias inorgánicas.
Se conoce el procedimiento para obtener biogás de la fermentación de residuos orgánicos como lodos de depuradoras, basura biológica, basura residual o residuos industriales orgánicos. Los restos de fermentación producidos de este modo se compostan en muchos casos, esto es, son degradados por microorganismos en fase sólida o bien se dispersan con fines de recultivo. No obstante, debido a la fuerte carga de metales pesados en los residuos orgánicos resulta cada vez más difícil comercializar el compost resultante del compostaje. Debido a las condiciones marco legales no resulta posible depositar restos de fermentación, pues por lo general presentan un porcentaje de sustancia seca orgánica superior al 5%. El aprovechamiento como abono de granja secundario de la propia explotación irá perdiendo relevancia toda vez que las condiciones marco jurídicas van reduciendo las cantidades aplicables.
Finalmente, por motivos ecológicos y económicos no resulta razonable quemar los residuos de fermentación.
Así pues, existe una necesidad de eliminar o degradar residuos de fermentación de forma sostenible para el medio ambiente, económica y con un procedimiento sencillo.
Se conoce el hecho de que determinados hongos, sobre todo hongos de podredumbre blanca, pueden descomponer lignina. Se conoce también la posibilidad de cultivar Chaetomium cellulolyticum sobre paja de trigo, esto es, en un material que contiene lignocelulosa, con lo cual el hongo utiliza como sustrato la lignocelulosa, material de difícil aprovechamiento y con su crecimiento lo enriquece con biomasa rica en proteínas. Por ello se ha utilizado Chaetomium cellulolyticum en la fabricación de forrajes (Peiji G. et al., en Enzyme and Microbial Technology (20) 1997, 581-584; Tengerdy R. P. en "Solid Substrate Cultivation", editado por Doelle H. W., Mitchell, D. A. y Rolz C. E, edits., 1992). Finalmente, se conoce que el estiércol de cerdos sometido a tratamiento térmico y químico se puede cultivar, después de su fermentación con Chaetomium cellulolyticum, para la degradación de los residuos de fermentación. No obstante, tanto la paja de trigo como el estiércol de cerdos se caracterizan por un porcentaje muy escaso en metales pesados y sales, esto es, en sustancias inorgánicas. Es conocido el hecho de que sólo unos pocos organismos halófilos son capaces de adaptarse a entornos con concentraciones elevadas de sal. Tampoco se han efectuado o publicado procedimientos según los cuales se utilicen hongos en cultivo puro o mezclas de cultivos puros para la degradación de residuos de fermentación caracterizados por un elevado porcentaje de sustancias inorgánicas.
El problema técnico en el que se basa la invención consiste en poner a disposición un procedimiento sostenible en términos ecológicos, económico y de realización sencilla para la degradación de residuos de la fermentación.
La invención resuelve este problema técnico facilitando un procedimiento para la degradación de residuos de fermentación no fermentados y difícilmente degradables o no degradables de forma anaerobia, que contienen un elevado porcentaje de sustancias inorgánicas, de más del 40% en relación con la sustancia seca, donde los cultivos puros o las mezclas de cultivos puros de hongos del tipo Eumycota se cultivan con los residuos de fermentación en condiciones aerobias, en un medio acuoso, y donde se obtienen sustancias inorgánicas como CO_{2}. Aquí las sustancias orgánicas se obtienen, según la invención, en forma casi pura o en alta concentración.
Según ello, la invención pone a disposición un procedimiento para la degradación de residuos de fermentación que contienen un porcentaje elevado de sustancias inorgánicas de mas del 40%. En relación con la invención presente se entiende por un residuo de fermentación que contiene un porcentaje elevado de sustancias inorgánicas de mas del 40%, un residuo de fermentación que se compone en su mayor parte de sustancias difícilmente degradables de forma anaerobia o no degradables en absoluto como lignocelulosa, pectinas, sustancias húmicas, celulosa, componentes de la membrana celular y biomasa bacteriana, y que contiene un elevado porcentaje de metales pesados, iones de metales pesados, sales inorgánicas, álcali, base alcalinotérrea y iones de haluro, en particular plomo, cadmio, cromo, cobre, níquel, mercurio, zinc, NaCl o KCl, así como combinaciones inorgánicas de fosfato y de nitrógeno. La proporción de sustancias inorgánicas representa más del 40%, en particular más del 45% y con especial preferencia es igual o supera el 47% del peso, en relación con la sustancia seca presente en el residuo de la fermentación. La composición concreta del residuo de fermentación depende del tipo y del material de partida de la fermentación previa. La fermentación incluye una fermentación con metano. Desde el punto de vista de la invención son irrelevantes el tipo de fermentación y el tipo de material de partida y de producto de la fermentación. Para la invención presente tiene mucha más importancia, entre otras cosas, el hecho de que los residuos de fermentación utilizados presenten el elevado porcentaje de sustancias inorgánicas ya indicado. Resulta sorprendente que los hongos utilizados según la invención en cultivo puro o en mezclas de cultivos puros puedan degradar dicho sustrato de forma eficaz y en grandes cantidades obteniendo CO_{2} a pesar del elevado porcentaje de sustancias inorgánicas en el sustrato, esto es, en el sustrato del residuo de fermentación.
En relación con la presente invención se entiende por un cultivo en condiciones aerobias el hecho de que el cultivo tiene lugar bajo ventilación activa, en particular que el cultivo tiene lugar con aire a presión, por ejemplo procedente del entorno.
La invención prevé también, en una de sus configuraciones, que el cultivo tenga lugar bajo mezcla, preferiblemente mezcla constante de la solución de reacción, esto es, de los residuos de fermentación y hongos existentes en medio acuoso, es decir, por ejemplo en una solución o suspensión acuosa.
El procedimiento según la invención, en particular el cultivo aerobio de una solución de reacción acuosa con un contenido en sustancia seca (SS) relativamente bajo, hasta un 30% de SS en situación de mezcla y con aportación activa de aire, permite una tasa de degradación de la lignina y de la sustancia orgánica sorprendentemente alta en comparación con el compostaje convencional.
En una forma de realización preferida de la invención está previsto acondicionar o higienizar los residuos de fermentación antes del cultivo con los hongos. Es también sorprendente que los residuos de fermentación no tengan que someterse a esterilización, sino que baste con una pasteurización posterior a la fermentación o con una fermentación efectuada, al menos parcialmente, en condiciones termófilas para permitir un crecimiento de los hongos en los residuos de fermentación que contienen un elevado porcentaje de sustancias inorgánicas.
La invención prevé también en una de sus configuraciones que las sustancias de fermentación se acondicionen antes de ser cultivadas con los hongos del tipo Eumycota. En relación con la presente invención se entiende por acondicionamiento un proceso según el cual los residuos de fermentación se tratan para que permitan un crecimiento favorable de los agentes degradantes del residuo de fermentación utilizados según la invención, esto es, los hongos del tipo Eumycota.
En una forma de realización preferida de la invención está previsto efectuar el acondicionamiento pasteurizando los residuos de fermentación antes de su cultivo con los hongos del tipo Eumycota. La pasteurización se puede efectuar, en una forma de realización especialmente preferida de la invención, mediante calentamiento a una temperatura entre 50 y 90ºC, en particular entre 60 y 80ºC y con especial preferencia a 70ºC, durante un tiempo entre 0,5 y 3 horas, preferentemente 1 hora.
En otra forma de realización preferida de la invención se puede prever un acondicionamiento donde está prevista una fermentación termófila en el transcurso de la formación de los residuos de fermentación, en especial una fermentación a temperaturas de entre 35 y 70ºC, en particular entre 45 y 65ºC y con especial preferencia a 55ºC. De esta manera se consigue, de una forma ventajosa según la invención, que los residuos de fermentación previstos para la degradación con los hongos del tipo Eumycota estén ya acondicionados, esto es, que pueda tener lugar un crecimiento óptimo de los hongos previstos según la invención. La invención prevé de forma ventajosa efectuar la fermentación termófila mediante un tiempo de espera en agua de cómo mínimo 24 horas.
La invención prevé además, como ya hemos mencionado, efectuar de forma ventajosa el cultivo con cultivos puros o mezclas de cultivos puros con los hongos del tipo Eumycota, en condiciones aerobias, en particular bajo ventilación, con especial preferencia bajo ventilación mediante aire a presión, con lo cual tiene lugar una aportación de aire, por ejemplo procedente del entorno, continuo o discontinuo, con un volumen de caudal de 5-90, en particular de 30-70 y con especial preferencia de 40 l/l de fermentador/h.
La invención prevé de forma preferente el cultivo aerobio con cultivos puros o mezclas de cultivos puros con los hongos del tipo Eumycota, a temperaturas de entre 20 y 42ºC, en particular 37ºC, con un pH de entre 5,0 y 8,5, preferentemente entre 6,0 y 7,0 y en una solución acuosa. Es conveniente que el pH del residuo de fermentación se tenga que rebajar sólo ligeramente por debajo de 7,5, el pH de la fermentación. Con especial preferencia el contenido de sustancia seca del residuo de fermentación presente en la disolución acuosa se sitúa entre el 5 y el 30%, preferiblemente entre el 10 y el 20%, y con especial preferencia en el 20%.
La invención prevé además, en una forma de realización preferida, que los hongos del tipo Eumycota sean hongos de la clase basidiomicetos, sobre todo de las especies Phanerochaete chrysosporium, Phanerochaete BKM YM 125, Phanerochaete 1556, Pleurotus ostreatus, Pleurotus ostreatus var. florida fr., Pleurotus ostreatus var. florida holl., Trametes versicolor o de la clase ascomicetos, en particular de la especie Chaetomium cellulolyticum.
La invención se explica con mayor detalle a la vista de los ejemplos y de las figuras correspondientes.
Las figuras muestran:
Figura 1 la secuencia del contenido de materia orgánica (cuadrados llenos), de los COD (cuadrados vacíos) y de la síntesis de CO_{2} (círculos llenos) durante la degradación de residuos de fermentación mediante Chaetomium cellulolyticum.
Figura 2 la síntesis de CO_{2} (círculos llenos) y la tasa volumétrica de síntesis de CO_{2} (rombos llenos) en la fermentación de residuos de fermentación mediante Chaetomium cellulolyticum, cultivado en medio acuoso con un contenido de sustancia seca del 20% y
Figura 3 la secuencia del contenido de SSo (cuadrados llenos), de los COD (cuadrados vacíos) y de la síntesis de CO_{2} (círculos llenos) durante la degradación de residuos de fermentación mediante Phanerochaete chrysosporium.
Ejemplo 1 Obtención de residuos de fermentación
Como material de partida para la fermentación se utilizaron residuos de cocina de un hotel. La basura biológica utilizada no se sometió a tratamiento previo químico, físico o térmico. La fermentación se efectuó en una instalación de fermentación de dos etapas, con dos reactores con un volumen de reacción de 30 l cada uno. Los reactores de fermentación se cargaron con lodos de depuración frescos de una instalación de depuración comunitaria. A continuación se siguió alimentando con basura biológica y con el agua se ajustó un contenido de SS superior al 20%.
La fermentación (fermentación con metano) se efectuó en una primera etapa a una temperatura de 37ºC ó de 55ºC (como alternativa), y en una segunda etapa a una temperatura de 55ºC. En ambos reactores se agitó la mezcla de forma continua. El pH se ajustó en ambas etapas entre 7,3 y 7,5. El grado de degradación de la degradación anaerobia en el transcurso de la fermentación en dos etapas representó entre el 80 y el 90%.
Una vez que el proceso de fermentación discurrió de forma estable durante algunos meses se recogieron los residuos de fermentación y se almacenaron a 5ºC.
Los residuos de fermentación se concentraron, al cabo de un tiempo de espera de 14 días, mediante centrifugado a 12.000 g hasta un 10 - 20% de SS. Se caracterizan por un porcentaje elevado de sustancia inorgánica, concretamente un porcentaje en peso entre el 40 y el 45% en relación con la sustancia seca (SS). El contenido de sustancias inorgánicas utilizado en el ejemplo representó el 47% sobre el total del residuo de fermentación (SSi).
En la tabla siguiente aparece relacionado el contenido de metales pesados de las sustancias inorgánicas en los residuos de fermentación utilizados según la invención.
TABLA 1
Metal pesado Concentración (mg/kg SSi)
Plomo 26
Cadmio < 5
Cromo 1199
Cobre 339
Níquel 3197
Mercurio 4
Zinc 603
Los residuos de fermentación concentrados presentaron un contenido de amonio de 1 a 2 g/l. El contenido total de nitrógeno representó aproximadamente el 5% de la sustancia seca (SS) y el 10% de la SSo (sustancia seca orgánica). La concentración de las sustancias inorgánicas solubles representó aproximadamente 3 g/l.
Los residuos de fermentación así preparados se sometieron a la fermentación aerobia sin el posterior tratamiento o adición de nuevas sustancias.
Ejemplo 2 Fermentación con cultivos puros o mezclas de cultivos puros de ascomicetos, en particular Chaetomium cellulolyticum
Los residuos de fermentación obtenidos en el ejemplo 1 se introdujeron en un fermentador y se inocularon con un cultivo puro de Chaetomium cellulolyticum (ATCC 32319). La inoculación se efectuó de modo que la concentración inicial de biomasa representó entre 1 y 2 g/l. La posterior fermentación de 28 días se efectuó bajo aportación constante de aire a presión, con un volumen de caudal de 40 l/l de fermentador/h (aire del entorno) y mezcla constante de la solución de reacción, compuesta de hongos y residuos de fermentación.
A la vez se calculó, durante la fermentación, la concentración de sustancia seca (SS) y la concentración de sustancia seca orgánica (SSo). El cálculo tuvo lugar pesando las muestras procediendo a su posterior secado, en un tarro de cerámica, durante una noche en el armario de secado a 105ºC. Una vez que se determinó la reducción del peso las muestras se incineraron durante 4 horas a 500ºC y de esta forma se determinó la concentración de SSi (sustancia seca inorgánica). El contenido de SSo se obtiene de la diferencia de peso entre SS y SSi. El contenido total de nitrógeno se determinó según el método de Kjeldahl.
La secuencia de la degradación de los residuos de fermentación se puede ver en la figura 1. Se muestra la secuencia del contenido de sustancias orgánicas, de los COD (carbonos orgánicos disueltos, contenido de carbono disuelto en el resto) y de la síntesis de CO_{2} durante la degradación de residuos de fermentación mediante Chaetomium cellulolyticum. Durante la fermentación de 28 días se degradaron como promedio 0,76 g de sustancias orgánicas (degradación de SSo) por litro y día y se sintetizaron 24,7 g/l de CO_{2}.
En la tabla 2 se puede ver la degradación de las diferentes fracciones de sólidos de los residuos de fermentación después de una fermentación de 28 días mediante Chaetomium cellulolyticum (10% de SS en solución acuosa).
TABLA 2
Fracción Concentración Concentración Degradación
Material de partida (g/l) Producto (g/l) (%)
Sustancias solubles de bajo en peso 17,1 11,4 33
Lípidos 6,1 3,4 44
Pectinas, hemicelulosa, fosfato 33,9 26,3 22
Celulosa 8,0 4,5 43
Lignina, humatos de Na 9,9 5,5 45
SSo no soluble, huminas 9,2 6,6 28
El Chaetomium cellulolyticum presentó un tasa muy elevada de degradación de lignina, con un 45%.
Ejemplo 3 Variación del contenido de sustancia seca en la degradación mediante Chaetomium cellulolyticum
Variando el contenido de sustancia seca desde el 10 hasta el 75% (en solución acuosa) se pudo comprobar que un contenido aproximado de sustancia seca del 20% del peso permitía obtener una tasa de degradación con Chaetomium cellulolyticum especialmente ventajosa.
Después de una fermentación de 28 días con Chaetomium cellulolyticum, con un contenido de sustancia seca del 20% y con un porcentaje en peso de sustancias inorgánicas del 49% (en relación con la sustancia seca) se consiguió una tasa media de degradación de 1,09 g de sustancias orgánicas por litro y día. La secuencia temporal del CO_{2} que aquí se libera se puede ver en la figura 2.
Con un contenido de sustancia seca del 20% resulta una tasa de degradación de SSo de 1,09 g de SSo/l/d con una síntesis de CO_{2} de 37,9 g/l.
Ejemplo 4 Degradación de residuos de fermentación mediante basidiomicetos
La degradación de residuos de fermentación del tipo mencionado en el ejemplo 1 se efectuó con Phanerochaete chrysosporium BKM YM 125 a 37ºC y un valor pH de 4,5. Durante todo el periodo de ensayos de 28 días la SSo se redujo en un 22%, y los COD en un 27%. A la vez se produjeron 22,4 g de CO_{2}/l. Los resultados están expuestos en la figura 3. Las condiciones de cultivo se correspondieron con las descritas en el ejemplo 2 si no se indica otra cosa.
En la tabla 3 siguiente se pueden ver las posibilidades de uso de otros basidiomicetos para la degradación de residuos de la fermentación.
TABLA 3
Especies Reducción de Sso
Phanerochaete 30%
chrysosporium 21%
Phanerochaete 24%
BKM YM 125 18%
Phanerochaete 1556 26%
20%
Pleurotus ostraetus 21%
9%
Pleurotus ostraetus var. 21%
florida fr. 25%
Pleurotus ostreatus var. 14%
florida holl. 26%
Trametes versicolor 16%
20%
Aparece representada la reducción de la SSo al cabo de 4 semanas de incubación.

Claims (12)

1. Procedimiento para la degradación de residuos de fermentación difícilmente degradables o no degradables de forma anaerobia, que contienen un elevado porcentaje de sustancias inorgánicas, de más del 40% referido a la sustancia seca, donde los cultivos puros o las mezclas de cultivos puros de hongos del tipo Eumycota se cultivan con los residuos de fermentación en condiciones aerobias, en un medio acuoso, y donde se obtienen sustancias inorgánicas como CO_{2}.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde los residuos de fermentación se acondicionan antes del cultivo.
3. Procedimiento según la reivindicación 2, donde el acondicionamiento se efectúa en forma de una pasteurización durante un periodo de 0,5 a 3 horas, en particular de 1 hora, a una temperatura entre 50 y 90ºC, en particular a 70ºC.
4. Procedimiento según la reivindicación 2, donde el acondicionamiento tiene lugar durante la formación, por fermentación, del residuo de fermentación nofermentable, en particular a temperaturas entre 35 y 65ºC.
5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde la fermentación se efectúa en un pH entre 5,0 y 8,5.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde las sustancias inorgánicas son metales pesados, iones de metales pesados, sales inorgánicas, álcali, base alcalinotérrea, iones de haluro y también sales inorgánicas, en particular plomo, cadmio, cromo, cobre, níquel, mercurio, zinc, NaCl o KCl, así como combinaciones inorgánicas de fosfato y de nitrógeno.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde los hongos del tipo Eumycota son basidiomicetos o ascomicetos.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde los hongos del tipo Eumycota proceden de la especie Chaetomium cellulolyticum.
9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el cultivo tiene lugar en una solución acuosa con un contenido de sustancia seca de entre el 5 y el 30% del peso, en particular entre el 10 y el 20% del peso.
10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el cultivo tiene lugar con aportación de aire, en particular aire del entorno.
11. Procedimiento según la reivindicación 10, donde la aportación de aire tiene lugar con un volumen de caudal de 5 - 90 l/l de fermentador/h, preferentemente de 30 - 70 l/l de fermentador/h y con especial preferencia de 40 l/l de fermentador/h.
12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el cultivo tiene lugar bajo mezcla.
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