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Perez Pardo Jose Lucas Patente lodos anaerobios
 

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Procedimiento para postratamiento de lodos anaerobios (digestato) para alimentacción de cerdos.

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    Perez Pardo Jose Lucas Patente lodos anaerobios Perez Pardo Jose Lucas Patente lodos anaerobios Document Transcript

    • (19) REPUBLICA DE CUBA (11) No de publicación: CU 23058 A1 (21) No. de solicitud : 2000- 0219 (51) Int. Cl7: A 23K 1/00Oficina Cubana de laPropiedad Industrial(12) Certificado de Autor de Invención(22) Fecha de presentación: 2000.10.17 (71) Solicitantes: UNIVERSIDAD DE ORIENTE (CU); INSTITUTO DE CIENCIA ANIMAL (CU); CENTRO DE INVESTIGACIONES EN BIOALIMENTOS (CU)(30) Prioridad: (72) Inventor/es: Bermúdez Savón, Rosa Catalina (CU); Pérez Pardo, José Lucas (CU); Ravelo Ron, Daisy (CU); González Martínez, Rogelio Francisco (CU); Lezcano Perdigón, Pedro (CU)(45) Fecha de publicación: 2005.06.24 (73) Titular: UNIVERSIDAD DE ORIENTE, domiciliado en Avenida Patricio Lumumba, s/n, Santiago de Cuba (CU); INSTITUTO DE CIENCIA ANIMAL, domiciliado en Carretera Central km 471/2, 24, San José de las Lajas, Ciudad Habana (CU); CENTRO DE INVESTIGACIONES EN BIOALIMENTOS, domiciliado en Carretera a Patria Km.1½, 672110, Morón, Ciego de Avila (CU) (74) Agente: Martínez Almaguer, Yordanka (CU)(54) Título: PROCEDIMIENTO Y OBTENCIÓN DE ALIMENTO ANIMAL A PARTIR DELODOS PROVENIENTES DE BIODIGESTORES ANAEROBIOS DE RESIDUALESORGÁNICOS(57) Resumen: La presente invención se relaciona con la rama agropecuaria, específicamente con un procedimiento para incrementar la calidad nutritiva de la fracción semisólida (lodo) que se genera en reactores anaerobios, obteniéndose un producto que puede ser utilizado para la alimentación animal. El objeto de la presente invención radica en un tratamiento físicoquímico y microbiológico de efluentes provenientes de biodigestores anaerobios que operen con residuales de la crianza animal, la industria alimentaria y agrícolas elevando su valor nutritivo de la fracción semisólida (lodos). El procedimiento consta de las siguientes etapas: digestión anaerobia del residual orgánico, calentamiento del efluente anaerobio a 50 - 55º C, separación del lodo por sedimentación y fermentación con Lactobacillus bulgaricus y Streptococus thermophilus. Como resultado se obtiene un ingrediente para la alimentación animal, con una concentración de sólidos totales de 15 - 17%, enriquecido en biomasa microbiana, aminoácidos, minerales y otras sustancias que aumentan la eficiencia en el aprovechamiento de los nutrientes de la dieta y favorecen la salud animal.
    • CU 23059 A3 MEMORIA DESCRIPTIVA2000-0219 PROCEDIMIENTO Y OBTENCIÓN DE ALIMENTO ANIMAL A PARTIR DE LODOS PROVENIENTES DE BIODIGESTORES ANAEROBIOS DE RESIDUALES ORGÁNICOSLa presente invención se relaciona con la rama agropecuaria, específicamentecon un procedimiento para incrementar la calidad nutritiva de la fracciónsemisólida, en lo adelante lodo, que se genera en reactores anaerobios, obteniéndoseun producto que puede ser utilizado para la alimentación animal.Varios procesos han sido desarrollados para la utilización de efluentesanaerobios como alimento animal. En la patente US3838199 se desarrolla unprocedimiento para la producción de un suplemento alimenticio a partir de losefluentes de un reactor anaerobio termofílico de excretas de ganado vacuno. Esteprocedimiento no ha sido ampliamente usado debido al alto consumo de energíapara aumentar la concentración de sólidos en el residuo y a lainaplicabilidad en procesos continuos. En las patentes US3973043 y FR9700316,los efluentes anaerobios son sometidos a una fermentación aerobia en lagunaspara la producción de biomasa bacteriana y algas, lo cual trae asociado altoscostos de inversión y de operación. Una dificultad similar presenta elprocedimiento descrito en la patente US4 298621 debido a que los efluentes delreactor son centrifugados y el sedimento resultante es secado y peletizadoconjuntamente con otros aditivos alimenticios.Hasta el presente las limitaciones principales en los procedimientos para larecuperación de nutrientes de efluentes digestados son la baja eficiencia, losaltos costos de inversión de capital y de operación en la centrifugación y elsecado, así como la baja concentración y dígestibilidad de los nutrientescuando se utilizan sin tratamiento previo, aún operando el reactor con altaconcentración de sólidos totales (Marchaim U., Biogas process for sustainabledevelopment. Agricultura) Services Bulletin, FAO, No. 95, 1992; Sweeten et al.Producción de metano a partir de excretas porcinas. En: Manual de la IndustriaPorcina, Servicio de Extensión Cooperativa, Colegio de Ciencia Agrícolas y del
    • CU 23059 A3Ambiente. Universidad de Georgia, Athens. USA, 1994; Tong W. Ressearch onfeeding pings with anaerobic digested effluent as supplementation of mixedconcentrate ration. 1995. Biogas Forum IV(63):8-15; Shih J. Termophilic anaerobiaof poultry manure. Off Journal of the Poultry Science Association 1997. Vol. 76:1).El objetivo de la invención es proponer un procedimiento que permita bajoscostos de inversión de capital así como un alimento con una altaconcentración y digestibilidad de los nutrientes. El producto tiene una altaconcentración de nutrientes tales como, aminoácidos, minerales y otras sustanciasy microorganismos que contribuyen al aprovechamiento del resto de los nutrientesde la dieta y a la salud animal; desde el punto de vista microbiológico ytoxicológico es un producto apto para ser consumido por animales y una vezobtenido puede conservarse durante 15 - 20 días sin manifestarse variacionesen sus constituyentes, lo que resulta beneficioso para su manejo en diferentessistemas de alimentación.La esencia de la invención consiste en que a los efluentes del digestor anaerobio se le realizatodo un proceso que comienza cuando el 75% de los efluentes pasan alcalentador donde alcanzan una temperatura de 50 a 55°C durante 15 a 20minutos, mientras que el 25% restante vuelve al digestor. Estas condiciones detemperatura y tiempo aseguran su sedimentación posterior. Para elcalentamiento se utiliza el biogas comprimido y purificado (remoción del dióxidode carbono y sulfuro de hidrógeno).En el sedimentador el efluente se separa en dos fases: la fracción semisólida(lodo) y el sobrenadante. El tiempo mínimo necesario es de 12 - 16 horas. Lasdos fracciones se evacuan por separado. El sobrenadante por gravedad pasa aun tanque y posteriormente el lodo se descarga a otro. En este tanque se mezcla ellodo sedimentado con una fuente carbonada y un inóculo.La fuente carbonada aporta la energía necesaria para el desarrollo de losmicroorganismos, pudiendo ser melaza de caña de azúcar, melaza de remolacha ocualquier otro producto que aporte azúcares fermentables. La relacióncuantitativa entre la fuente carbonada y el lodo es de 34.5 - 35.7 kg de azúcaresreductores totales por cada 100 kg de sólidos totales de la mezcla El inóculo es uncultivo mixto de Lactobacillus bulgaricus y Streptococus thermothilus y se
    • CU 23059 A3adiciona en una relación de 0.35 - 0.75 kg de sólidos totales por cada 100 kg desólidos totales de la mezcla Para la mezcla de la fuente carbonada y delinóculo se emplea un agitador. Esta mezcla se descarga por gravedad a unreactor de tiempo de retención hidráulico de 3 días con un régimen deagitación cada 7 - 9 horas durante 2 - 4 minutos a una velocidad de 10 - 40revoluciones por minuto. Al llegar la mezcla a este reactor permanece estática 72horas y luego comienza el régimen de retención hidráulico recirculandodiariamente entre 5 - 10% hacia el tanque donde se le agrega la fuentecarbonada y el inóculo. El volumen del producto final es depositado en otrotanque y es el producto utilizable en la alimentación animal.Este producto utilizable en la alimentación animal presenta una composición finalde 140 - 150 g de sólidos totales por Kg de producto, la proteína bruta de 28 a 32g por Kg de producto, la proteína verdadera entre 18 y 20 g por Kg deproducto, las cenizas de 38 a 42 g por Kg de producto, la fibra bruta entre 12 y 14g por Kg de producto con una digestibilidad de 70 a 74% y un pH entre 4.5 y 5.La figura 1 muestra todo el proceso tecnológico desde que se recoge el residualhasta que se obtiene el alimento animal.La figura 2 muestra el sedimentador donde se obtiene la fracción semisólida (lodo).La figura 3 muestra el fermentador de lodos donde se aplica el inóculo.Haciendo referencia a la numeración adoptada en las figuras, después deltratamiento primario del residual crudo con los aditamentos de tecnología yaconocidos como desarenadores, desfibradores, tamices u otros a fin de evitar laentrada de materiales no deseables al reactor; el residual crudoprimariamente tratado, se almacena en el tanque 1 de donde pasará al digestoranaerobio. El agitador 2, situado en la parte inferior, posibilita que los sólidossedimentables se mantengan en suspensión. La concentración de sólidos totalesen la mezcla debe controlarse a valores inferiores del 10 %, preferiblementeen el intervalo de 5 - 10 %, de ser superior a este valor se adiciona agua.Mediante la bomba 3 el residual crudo se vierte a la poceta de alimentacióndel digestor anaerobio 4. Este reactor opera en régimen mesofilico a un tiempode retención hidráulica de 12 - 18 días y en sistemas termofílicos a 5 - 6 días,
    • CU 23059 A3con tasa de carga de 3.28 - 4.91 y 14 - 16 Kg SV/m3 reactor, respectivamente. Laagitación de la mezcla en fermentación, se realiza circulando una parte delbiogas a través de un sistema constituido por un compresor 9, una válvula 10 conuna entrada y dos salidas independientes y un distribuidor de gas situado en laparte inferior del reactor, con una frecuencia para la agitación de 10 - 15minutos cada 6 horas.El efluente del digestor anaerobio sale por reboso hacia el tanque 5 dondese recepciona y homogeniza De aquí, el 25 - 30% del volumen total se dirige(bomba 6 y válvula 8) al tanque 1 y el resto hacia el calentador 7, donde elefluente alcanza una temperatura de 50 - 55°C durante 15 - 20 minutos. Estascondiciones de temperatura y tiempo aseguran su sedimentación posterior.Para el calentamiento se utiliza el biogas comprimido 9 y purificado 11. Laoperación de purificación consiste en la remoción del dióxido de carbono y el sulfurode hidrógeno lo cual se realiza utilizando tecnologías tradicionales. La válvula 12 es de unaentrada y dos salidas independientes, y controla la dirección de la corriente de gas según elinterés de uso.En el sedimentador 13, el efluente se separa en dos fases: el lodo y el sobrenadante.El tiempo mínimo necesario para la sedimentación es de 12 - 16 horas. Parala evacuación de las dos fracciones, primero el sobrenadante se descarga porgravedad al tanque 22 y posteriormente el lodo se descarga al tanque 17. Lafunción del tanque 17 es mezclar el lodo sedimentado, una fuente carbonada 15 y uninóculo constituido por un cultivo mixto de Lactobacillus bulgaricus yStreptococus thermothilus 16. La fuente carbonada aporta la energía necesaria para eldesarrollo de los microorganismos, pudiendo ser melaza de caña de azúcar,melaza de remolacha o cualquier otro producto que aporte azucaresfermentables. La relación cuantitativa entre la fuente carbonada y el lodo es de34.5 -35.7 Kg de azucares reductores totales por cada 100 Kg de sólidostotales de la mezcla El inóculo se adiciona en una relación de 0.35 - 0.75 kg desólidos totales por cada 100 kg de sólidos totales de la mezcla. Para la operaciónde mezclado se utiliza el agitador 14. Esta mezcla se descarga por gravedad alfermentador 18. Este reactor se diseña para un tiempo de retención hidráulicode tres días, con un régimen de agitación intermitente cada 7 - 9 horas, durante2 - 4 minutos, a una velocidad circular de 10 - 40 revoluciones por minuto. Los
    • CU 23059 A3gases producidos en 18 se hacen burbujear en el tanque 21 donde se alcanza unpH de 6.8 -7.0 unidades. Este producto puede ser utilizado para el cultivo deplantas terrestres y acuáticas. Para iniciar el proceso de fermentación, elfermentador 18 se llena hasta el volumen de trabajo con la mezcla preparada en 17 y semantiene en condiciones estáticas durante 72 horas. A continuación se pasaal régimen de operación de 3 días de tiempo de retención hidráulico,recirculando diariamente al tanque 16 del 5 - 10% del volumen del producto finaldepositado en el tanque 20, mediante la bomba 21. La adición del cultivo deLaciobacillus bulgaricus y Streptococus thermothilus al mezclador 17, se realizacada 30 días. Este reactor puede trabajar en un rango de temperaturas de 25 - 40°C.El producto final obtenido bromatológicamente contiene un total de sólidos totalesde 140 - 150 g/Kg de producto, la proteína bruta de 28 - 32 g/Kg de producto, laproteína verdadera entre 18 y 20 g/Kg de producto, las cenizas de 38 a 42 gKg deproducto, la energía bruta de 2 - 2.2 MJ/Kg de producto, la fibra bruta entre 12 y 14g/Kg de producto con una digestibilidad de 70 - 74% y un pH que oscila entre 4.5 y5.EJEMPLO DE REALIZACIÓNProcedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientesde biodigestores anaerobios de residuales porcinos.Principales características de los purines:• Caudal: 20 t/día• Sólidos Totales: 50 g/Kg• Sólidos Volátiles: 35 g/Kg• DQO: 60 g/Kg• DBO5: 35 g/Kg• pH: 7.00
    • CU 23059 A3En este ejemplo los purines provienen de un cebadero de cerdos alimentadoscon dietas a partir de pienso - miel final de caña de azúcar, en una. relaciónde 80 % de pienso y 20 % de miel final, referida a sólidos totales secos. Elsistema de limpieza es por barrido con agua a presión, una vez cada 24 horas.La alimentación del digestor anaerobio es semicontinua en condicionesmesofilicas.20 toneladas de residual crudo previamente tamizado (∅= 5 mm) se descargan 3en el tanque 1 (Fig. 1). El flujo de entrada a este tanque es de 8.33m /h,durante 5 horas que es el tiempo máximo para la limpieza de la instalación. Elflujo de salida para la alimentación del digestor 4 mediante la bomba 3, es de 6m3 /h, de lo que se infiere un volumen de diseño de 4.4 m 3 , considerando un3 % de seguridad. El agitador 2 posibilita que los sólidos sedimentables semantengan en suspensión para ser evacuados mediante la bomba 3. El digestoranaerobio 4 opera con un tiempo de retención de 15 días y un flujo deafluente de 20 m3/día. de residual crudo más 5m3/día de residual digestado. Deesto se deriva un volumen de trabajo de 375 m 3 y considerando un 3% deseguridad el volumen total es de 386 m3. La carga de sólidos volátiles a tratar esde 1 000 Kg, con una eficiencia en la remoción del 55 % por lo que la producciónde biogas, con un 65 % de metano, es de 380 m3 /día. La agitación de la mezcla.en fermentación se realiza recirculando una parte del biogas a través de unsistema constituido por un compresor 9, una válvula 10 de una entrada y dossalidas independientes y un distribuidor de gas 4 situado en la parte inferiordel reactor, con una frecuencia para la agitación de 15 minutos cada 6 horas.20 toneladas del efluente anaerobio salen por reboso hacia el tanque 5 donde sehomogeniza. Este tanque opera con un tiempo de retención hidráulico de 0.5 hy un flujo de 6 m3/h durante 5 h, de lo que se infiere un volumen total de 3.1 m3,con un 3% de seguridad. De aquí, 5 m3 se trasladan (bomba 6 y válvula 8) altanque 1 y el resto hacia el calentador 7 donde la mezcla alcanza unatemperatura de 52 °C, durante 20 minutos, estas condiciones de temperatura ytiempo aseguran su sedimentación posterior. Para el calentamiento, el 25 %del biogas generado se comprime (9) y purifica. (11), las operaciones decompresión y purificación se realizan aplicando tecnologías tradicionales. La
    • CU 23059 A3válvula 12 es de una entrada y dos salidas independientes, y controla ladirección de la corriente de gas según el interés de uso.En el sedimentador 13 (Fig. 2), el efluente se separa en dos fases: 7.6toneladas de lodo y 37.2 toneladas de sobrenadante. El tiempo mínimo necesariopara la sedimentación es de 14 horas. Para la evacuación de las dos fracciones,primero el sobrenadante se descarga por gravedad al tanque 22 y posteriormenteel lodo se descarga al tanque 17. La función del tanque 17 es mezclar ellodo sedimentado, una fuente carbonada 15 y un inóculo constituido por un cultivomixto de Lactobacillus bulgaricus y Streptococus thermothilus 16. La fuentecarbonada aporta la energía necesaria para el desarrollo de los microorganismos,pudiendo ser melaza de caña de azúcar, melaza de remolacha o cualquier otroproducto que aporte azucares fermentables. La relación cuantitativa entre lafuente carbonada y el lodo es de 34.7 Kg. de azucares reductores totales porcada 100 Kg de sólidos totales de la mezcla. El inóculo se adiciona en unarelación de 0.5 Kg. de sólidos totales por cada 100 Kg. de sólidos totales de lamezcla Para la operación de mezclado se utiliza el agitador 14. El volumen totaldel tanque mezclador es de 12.12 m3 con un 3 % de seguridad, el tiempo demezclado es de 0.25 h, a una velocidad circular de 60 revoluciones por minuto. La mezclaanterior se descarga por gravedad al fermentador 18 (Fig. 3). Este reactor se diseñapara un tiempo de retención hidráulico de tres días, con un régimen de agitaciónintermitente cada 8 h, durante 3 minutos, a una velocidad circular de 30revoluciones por minuto. Los gases producidos en 18 se hacen burbujear en eltanque 21 donde se alcanza un pH de 6.8 unidades. El contenido del tanque22 puede ser utilizado para el cultivo de plantas terrestres y acuáticas.El alimento obtenido por este procedimiento presenta dos ventajasfundamentales. Tiene la característica de ser un alimento balanceado ennutrientes con altos valores de proteína y energía metabolizable que no es usualencontrar en los alimentos para animales; además de que se obtiene de desechosde unidades porcinas que normalmente contaminan el ambiente.A continuación se presenta (tablas 1, 2, 3 y 4) la composición del productofinal y la calidad sanitaria (tabla 5). La unidad g/Kg se refiere a los gramosdel indicador por cada Kg de producto húmedo.
    • CU 23059 A3
    • CU 23059 A3Tabla 1:Caracterización bromatológica Indicador Unidad de Valor Medida Sólidos totales g/Kg 149.92 Proteína bruta (N x g/Kg 30.55 6.25) Proteína verdadera g/Kg 18.78 Relación PV/PB % 62.80 Materia orgánica g/K 108.41 Cenizas g/Kg 41.84 Energía bruta mj/kg 2.13 Fibra bruta g/Kg 12.46 Fibra neutra detergente g/Kg 30.76 Fibra ácida detergente g/Kg 18.24 Digestibilidad de la % 72.31 materia orgánica pH unidades 4.75
    • Tabla 2: Caracterización aminoacidica Aminoácidos g/Kg Acido aspártico 1.734 Treonina 0.590 Serina 0.399 Acido glutámico 2.237 Prolina 0.902 Glicina 1.058 Alanina 0.815 Cisteina 1.266 Valina 0.590 Isoleucina 0.642 Leucina 0.815 Tirosina 0.538 Fenilalanina 1.058 Histidina 0.329 Lisina 1.075 Arginina 0.884 Aminoácidos totales 14.930Tabla 3: Concentración de ácidos grasos volátiles y láctico Indicador g/Kg Acido fórmico 0.549 Acido acético 3.482 Acido propiónico 0.227 Acido butírico 3.498 Acido valérico 0.294 Ácidos grasos volátiles totales 8.060 Acido láctico 6.386
    • Tabla 4: Concentración de macro y microelementos. Indicador g/Kg Ca 6.2850 Mg 1.7130 Na 0.2600 K 1.9260 P 3.6170 Cr 0.0020 Fe 0.4290 Mn 0.0760 Co 0.0020 Ni 0.9510 Cu 0.0160 Zn 0.1140 Cd 0.0003 Pb No detectado
    • Tabla 5: Caracterización sanitaria y toxicológica Unidad de Indicador Medida Valor Bacterias mesófilas aerobias UFC/g 2.42 x 109 Coliformes totales UFC/g 5.22 x 102 Salmonella UFC/g ND Clostridium sulfito UFC/g <1O reductores Levaduras Propágulas/g 1.42 x 105 Hongos Propágulas/g ND Micotoxinas - ND Aflatoxinas - ND UFC: Unidades formadoras de colonias ND: No detectado
    • RElVINDICACIONES1. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos caracterizado porque el efluente del digestor anaerobio se calienta hasta 50 - 55°C, durante 15 - 20 minutos, posteriormente se sedimenta por espacio de 12 - 16 horas, evacuando primero el sobrenadante y posteriormente el lodo.2. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 1 caracterizado porque al lodo se le agrega una fuente carbonada en una relación de 34.4 - 35.7 Kg de azúcares reductores totales por cada 100 Kg de sólidos totales de la mezcla3. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 1 y 2 caracterizado porque al lodo se le adiciona un inóculo de Lactobacillus bulgaricvus y Streptococcus thermothilus en una relación de 0.35 - 0.75 kg de sólidos totales por cada 100 kg de sólidos totales de la mezcla.4. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 3 caracterizado porque el inóculo se adiciona en el reactor a su arrancada.5. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 3 y 4 caracterizado porque el inóculo se adiciona cada 30 días una vez alcanzado el estado estacionario.6. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 3,4 y 5 caracterizado porque la mezcla lodo- fuente carbonada- inóculo se realiza entre 0.20 - 0.35 horas a una velocidad de 50 - 65 revoluciones por minuto.7. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 3,4,5 y 6 caracterizado porque la mezcla se deja en reposo por espacio de 70 - 75 horas.8. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes
    • de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 7 caracterizado porque la mezcla se agita cada 7- 9 horas por 2 - 4 minutos a una velocidad de 10 - 40 revoluciones por minuto.9. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 1 y 2 caracterizado porque entre 5- 10 del efluente se mezclas con el lodo y la fuente carbonatada y se recicla al reactor.10. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 1 caracterizado porque el sobrenadante es neutralizado con gases producidos en el reactor.11. Procedimiento y obtención de alimento animal a partir de lodos provenientes de biodigestores anaerobios de residuales orgánicos según reivindicación 1 caracterizado porque la fuente carbonatada es una melaza que aporta azúcares fermentables utilizables por los microorganismos.12. Alimento animal caracterizado por presentar una composición final de 140 - 150 g de sólidos totales por Kg de producto, la proteína bruta de 28 a 32 g por Kg de producto, la proteína verdadera entre 18 y 20 g por Kg de producto, las cenizas de 38 a 42 g por Kg de producto, la fibra bruta entre 12 y 14 g por Kg de producto con una digestibilidad de 70 a 74% y un pH entre 4.5 y 5.
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