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TEMA 15
PRODUCCIÓN Y
CONSUMO SUSTENTABLE
1
AVALIAÇÃO DE REJEITO DE MINERAÇÃO DE FELDSPATO COM VISTAS AO SEU
USO EM CONSTRUÇÃO CIVIL
ASSESMENT OF FELDSPAR TAILINGS FOR USING IN CIVIL CONSTRUCTION
Maria del Pilar Durante Ingunza 1*
Andre Tabosa Fernandes de Santa Cruz Gerab 1
Felipe Murilo Silva da Costa 1
Abstract This paper aim the assessment of tailing mining for using in civil construction. The studied materials were
collected in a mining that extracted feldspar from pegmatite. For mineralogical and chemical
characterization were performed test of FRX and DRX. To assess the use of the materials as raw material
in the manufacture of mortar, specimens with different substitutions, 5% and 10% of cement were
performed (% by mass). Regarding the replacement of the residue in the preparation of cement mortar is
possible to replace up to 10 % of cement by waste without the resistance of the specimens manufactured
vary significantly. To assess the residue as aggregate physical tests of characterization were performed
(Standard Proctor Test and Test Support Index California). The results show that the waste has a high dry
density, thus favoring an increase in the strength of the sample. The waste can be satisfactorily used as
sub - base material as an alternative to the materials usually employed.
Key Words: civil construction, feldspar, mining tailing.
1
1 Departamento de Engenharia Civil- Centro de Tecnologia- Universidade Federal do Rio Grande do Norte. Brasil
* María del Pilar Durante Ingunza. Departamento de Engenharia civil. Centro de Tecnologia. Campus Universitário, s/n- 59072-
970 Natal/RN. Brasil. Fone: 55-84-32153766 Email: [email protected].
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RESUMO
O objetivo do estudo é a avaliação de rejeito de mineração com vistas ao seu uso em construção civil. O material
estudado provém de uma exploração de pegmatito para obtenção de feldspato. Para caracterização mineralógica e
química foram realizados ensaios de FRX e DRX. Trata-se de um material com elevado teor de SiO2 (60.12 %) e
Al2O3 (27.36%), apresentando como principais minerais quartzo, silicatos de potássio e alumínio óxidos de ferro.
Para avaliar o uso do resíduo como matéria-prima na fabricação de argamassa foram realizados corpos de prova com
diferentes substituições, de 5% e 10% do cimento por resíduo (% em massa). Em relação à substituição do resíduo
por cimento na elaboração de argamassa é possível substituir até um 10 % de cimento por resíduo sem que a
resistência dos corpos de prova fabricados varie de forma significativa. Para avaliar o resíduo como agregado foram
realizados ensaios prévios de caracterização física (ensaio Proctor normal e ensaio Índice suporte Califórnia) Os
resultados obtidos mostram que o resíduo apresenta elevada massa específica aparente seca, favorecendo assim um
aumento na resistência ao cisalhamento da amostra. Conforme os ensaios realizados, o resíduo poderá ser utilizado
satisfatoriamente como material de sub-base, como alternativa aos materiais usualmente empregados.
Palavras chave: construção civil, feldspato, rejeito de mineração.
Introdução
Visando a sustentabilidade ambiental, a mineração tem papel relevante nos programas de gestão de resíduos. De
acordo com o Departamento de Transporte dos EUA as atividades de mineração produzem uma grande quantidade
de resíduos, na maioria dos casos de natureza rochosa que não apresentam valor comercial.
A reciclagem destes materiais é possível desde que obedecidos os padrões ambientais da legislação internacional. A
utilização destes resíduos como matéria-prima para construção civil apresenta várias vantagens, minimizando os
impactos ambientais decorrentes do descarte de resíduos é a exploração de matérias-primas naturais.
Neste sentido, destacam trabalhos pioneiros sobre diretrizes de reciclagem de resíduos de mineração destacando o
uso em construção civil (Collins & Miller, 1979; Collins & Ciesielski, 1994; Collins &Miller, 1976; Colling, 1984;
Pettibone et al., 1972).
No estado do Rio Grande do Norte, nordeste brasileiro, os pegmatitos graníticos constituem as principais fontes
comerciais de feldspato. Os pegmatitos são rochas ígneas de grãos grosseiros de composição mineralógica
semelhante ao granito. O feldspato é usado principalmente em indústrias cerâmicas e de vidro. Na região de estudo
tem havido acentuado crescimento na demanda por feldspato como consequência do desenvolvimento do processo
de produção de porcelanato, que contém 60% de feldspato na composição de sua massa cerâmica.
Os trabalhos publicados sobre a região referem-se principalmente a estudos geológicos de identificação, do Serviço
geológico do Brasil-CPRM (Companhia de pesquisa de recursos minerais, empresa vinculada ao Ministério de Minas
e Energia do Brasil). No âmbito da reciclagem de resíduos de mineração cabe destacar algumas pesquisas realizadas
na área visando a utilização de rejeito de feldspato como matéria-prima em cerâmica (Tavares, M. et al., 2010;
Peixoto et al., 2011)
A área de estudo se enquadra no município de Parelhas, inserido geologicamente na Província Borborema, com forte
potencial de reservas de feldspatos. De acordo com informações levantadas pelo Serviço geológico do Brasil, o
feldspato da região é do tipo potássico e sódico, comercializado na forma bruta e beneficiada, sendo principalmente
destinado para atender industrias cerâmicas (colorifícios e revestimento) e de vidros, das regiões Sul e Sudeste do
Brasil.
Diante o exposto o trabalho apresenta como objetivo principal a avaliação de rejeito de mineração de feldspato com
vistas ao seu uso em construção civil.
Metodologia
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Foram coletadas amostras de pegmatito procedentes de uma exploração de feldspato, localizada na cidade de
Parelhas no estado do Rio Grande do Norte, nordeste brasileiro. As amostras coletadas (figura 1) são de rochas
consideradas como rejeito por considerar não viável a extração de feldspatos nesses corpos rochosos.
Figura 1. Amostra de rejeito de mineração de feldspato
Para avaliar o uso em construção civil foi aplicada a seguinte metodologia: primeiramente procedeu-se a uma
caracterização físico-química das amostras coletadas. Assim, foi realizada uma caracterização uma previa química
(FRX) e mineralógica (DRX); uma caracterização física e mecânica através de ensaios de compactação Proctor
(NBR 7182/1986) e o California Bearing Ration (CBR), índice de consistência normal –flowtable (ABNT NBR
13276), determinação da resistência à tração e compressão (ABNT NBR 13279), absorção de água, índice de vazios
e massa específica real (ABNT NBR 9778).
Para avaliação do uso do resíduo como agregado (brita) foram preparadas amostras compostas de uma mistura de:
Brita (resíduo) retida na peneira ¾’’ com percentagem de 77% da mistura total; Areia fina local de dunas, retida na
peneira número 200, na percentagem de 20% da mistura e; pó de britagem do rejeito, material passando na peneira
número 200, na percentagem de 3 % da mistura.
Para avaliação do uso do em substituição de cimento para produção de argamassa foram moldados corpos-de-prova
com substituições de 5% e 10% do cimento (% em massa) pelo resíduo. Para tal, o resíduo passou pela peneira #200
para obter granulometria de filler. Utilizou-se a areia natural de duna como agregado miúdo e o cimento tipo
Portland CPIV-32 RS como aglomerante.
O corpo de prova testemunha foi elaborado com argamassa composta de uma parte de cimento e três de areia (1:3) e
com relação água/cimento de 0,56, para atingir uma consistência padrão recomendada 260±5mm (ABNT-NBR
13276).
Resultados
Caracterização do resíduo
Para a análise química, o material foi moído, quarteado e analisado pela técnica de Fluorescência de Raios-X. Para a
avaliação da perda ao fogo, o material após seco em estufa por 24 h em temperatura de 110ºC, foi aquecido até
1000ºC por 60 minutos. Os resultados da análise são apresentados na tabela 1. Para identificação da mineralogia, o
material fornecido pelo cliente foi quarteado e parte do pó foi submetida à análise de difração de raios-X (figura.2).
A caracterização química do rejeito de feldspato aponta o SiO2 como principal óxido presente (60.12 %), seguido de
Al2O3 (27.36%), correspondendo ao 87% do total dos óxidos presentes na amostra estudada. Os óxidos restantes
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(13.52% do total de óxidos)) são distribuídos em numerosos elementos destacando o óxido de Magnésio-MgO
(3.67%), de ferro-Fe2O (3.34%), de potássio- KO2 (2.79 %) e cálcio-CaO (1.69 %). Quimicamente, podemos definir
o material como um material inerte com alto porcentual de sílica e alumínio, em menor medida, destacam também os
teores de ferro, potássio e cálcio.
Tabela 1. Resultado da análise química
Óxidos %
SiO2
Al2O3
Fe2O3
K2O
CaO
TiO2
SO3
P2O5
MnO
ZrO2
SrO
Rb2O
P.F.
60.12
27.36
3.34
2.79
1.69
0.50
0.22
0.10
0.09
0.02
0.01
0.01
0.08
Os minerais encontrados na identificação mineralógica justificam a composição química. Assim, a amostra apresenta
quartzo, silicatos com potássio e alumínio: feldspatos (albita, anorthoclasio); micas (biotita,paligorsquita) e óxidos de
ferro (hematita).
A elevada concentração de quartzo na amostra é um fator positivo para determinar os possíveis usos do rejeito, pois a
presencia de quartzo- mineral altamente resistente, quando preservadas suas características- pode conferir
propriedades satisfatórias ao seu uso como matéria-prima o agregado.
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Figura 2. Composição mineralógica
Avaliação do rejeito como substituição do cimento em argamassa
A Tabela 2 apresenta os valores dos índices de consistência das argamassas com as substituições de cimento por
resíduo estudadas (5% e 10%), assim como seus respectivos fatores água/cimento. O corpo de prova testemunha foi
elaborado com argamassa composta de uma parte de cimento e três de areia (1:3). A relação água/cimento utilizada
foi de 0.56, para atingir uma consistência padrão recomendada 260±5mm (norma ABNT-NBR 13276).
Pode se observar uma leve diminuição do índice de consistência proporcional à substituição do cimento pelo resíduo
utilizado.
Tabela 2. Consistências dos corpos de prova produzidos
Substituição (%) Traço (*) Fator a/c Índice de consistência (mm)
0 1:3 0.56 264
5 0.95C-0.05 R:3 0.56 260
10 0.90C-0.1 R:3 0.56 255 *C: cimento; R-rejeito
As figuras 3 e 4 mostram os valores obtidos para avaliação a resistência à compressão e a resistência à tração.
6
Figura 3. Valores de resistência à compressão dos corpos de prova de argamassa.
Figura 4. Valores de resistência à tração dos corpos de prova de argamassa.
0.002.004.006.008.00
10.0012.0014.0016.0018.0020.0022.0024.00
0 5 10
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO 7 DIAS (MPa)
RESISTÊNCIA À COMPRESSÃO 28 DIAS (MPa)
SUBSTITUIÇÃO (%)
0.00
0.50
1.00
1.50
2.00
2.50
3.00
3.50
4.00
4.50
5.00
5.50
6.00
0 5 10
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 7 DIAS (MPa)
RESISTÊNCIA À TRAÇÃO 28 DIAS (MPa)
SUBSTITUIÇÃO
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Observando os valores obtidos para avaliação a resistência à compressão e a resistência à tração (fig. 3 e 4) pode se
afirmar que a substituição do cimento por resíduo em proporções de 5 e 10% não altera significativamente os
valores, se bem se observa uma tendência de diminuição que deverá ser comprovada com o estudo de proporções
superiores.
A Tabela 3 apresenta os valores de absorção de água, índice de vazios e massa específica real das argamassas com
substituições de 0%, 5% e 10%. Os valores obtidos na caracterização física dos corpos de prova analisados (tabela 4)
mostram que as variáveis estudadas, absorção d água, índice de vazios e massa específica real não sofrem influência
significativa com as substituições de resíduo por cimento estudadas.
Tabela 3. Caracterização física das argamassas
Substituição Absorção d agua (%) Índice de vazios Massa específica real (g/cm3)
0 10.26 20.67 2.467
5 10.24 20.21 2.472
10 10.32 20.27 2.463
Uso como agregado
A amostra apresenta um valor de massa especifica seca na ordem de 2.3 g/cm³. O teor de umidade ótimo encontrado
está por volta de 7.4(%). Assim, o resíduo apresenta elevada massa específica aparente seca se comparada aos
demais materiais utilizados na pavimentação (pedregulho bem graduado: 2.0 a 2.1 g/cm³; argilas: 1.5 a 1.4 g/cm³ e
solo arenoso laterítico fino: 2.0 g/cm³), favorecendo assim um aumento na resistência ao cisalhamento da amostra.
Para avaliação do uso da amostra como agregado foi realizado o ensaio de CBR (tabela 4). A tabela 6 apresenta as
características exigidas aos materiais utilizados em pavimentação no Brasil, baseada em normas internacionais
(DNIT/2006).
De acordo com os dados obtidos e com base nos valores estabelecidos pelas normas brasileiras (DNIT 2006)- em
conformidade com os padrões internacionais- o material, poderá ser utilizado satisfatoriamente como material de
sub-base, como alternativa aos materiais usualmente empregados.
Tabela 4. Resultados dos ensaios CBR com resíduo
ENSAIO Expansão (%) C.B.R ( %)
Ensaio 1 0.09 41.05
Ensaio 2 0.09 42.63
Tabela 5. Características exigidas para materiais de pavimentação (DNIT 2006),
Camada Expansão (%) C.B.R (%)
Subleito ≤2 ≥2
Reforço de subleito ≤1 Maior que Subleito
Sub-base ≤1 ≥20
Base ≤0,5 ≥80
Conclusões e recomendações
O material estudado pode ser caracterizado como um material inerte com alto porcentual de sílica e alumínio e em
menor proporção ferro, potássio e cálcio. Mineralogicamente está composto por quartzo, albita, anorthoclasio,
biotita, paligorsquita e hematita.
Os resultados da avaliação do resíduo como substituição do cimento em argamassa mostram que a substituição do
cimento pelo rejeito em proporções de até 10% na elaboração de argamassa não altera significativamente os valores
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de resistência à compressão e a resistência à tração, se bem se observa uma tendência de diminuição que deverá ser
comprovada com o estudo de proporções superiores.
Quanto ao uso do rejeito como agregado podemos concluir que o rejeito, dosado de acordo com o descrito no
trabalho, poderá ser utilizado satisfatoriamente como material de sub-base em pavimentação, como alternativa aos
materiais usualmente empregados.
O trabalho visa a avaliação da viabilidade técnica do uso do rejeito em construção civil, porém, um estudo
complementar de viabilidade econômica deverá ser realizado aplicando metodologias de análise custo-benefício para
determinar o uso irrestrito do material estudado.
Referencias
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Determinação da resistência à tração na flexão e à compressão. Rio de Janeiro, 2005.
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Preparo da mistura e determinação do índice de consistência. Rio de Janeiro, 2005.
Associação Brasileira de Normas Técnicas – NBR 9778 Errata 2 2009: Argamassa e concreto endurecidos- Determinação de
absorção de água, índice de vazios e massa específica. Rio de Janeiro, 2005.
Collins R. J. and S. K. Ciesielski. Recycling and Use of Waste Materials and By-Products in Highway Construction. National
Cooperative Highway Research Program Synthesis of Highway Practice 199, Transportation Research Board,
Washington, DC, 1994.
Collins, R. J. and R. H. Miller. "Utilization of Mining and Mineral Processing Wastes in the United States," Minerals and the
Environment, Volume 1, No. 1, Surrey, England, April, 1979.
Collins, R. J. and R. H. Miller. Availability of Mining Wastes and their Potential for Use as Highway Material, Federal Highway
Administration, Report No. FHWA-RD-76-106, Washington, DC, May, 1976.
Collings, R. K. "Current and Potential Uses for Mining and Mineral Processing Wastes in Canada: Standards,"
Peixoto F., Florência M., Mendes M. e Tatiane R. (2010) Utilização dos rejeitos do caulim e feldspato na fabricação de piso
cerâmico, em Anais do VI CONNEPI- Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e inovação. Natal/RN, Brasil.
Tavares M., Avelino K., Medeiros P., Carlos E. e Harima E. (2010) Aproveitamento do rejeito de pegmatito para indústria
cerâmica em Anais do V CONNEPI- Congresso Norte Nordeste de Pesquisa e inovação. Maceió/AL, Brasil.
SOSTENIBILIDAD EN LA CADENA DE SUMINISTRO DE BIOETANOL, ENFOQUE
CON DINÁMICA DE SISTEMAS
SUSTAINABILITY IN THE SUPPLY CHAIN BIOETANOL, SYSTEM DYNAMICS
APPROACH
Danny W. Ibarra Vega
1*
Abstract
This paper presents a model of a supply chain theoretical bioethanol in Colombia, where environmental aspects and
environmental modeling strategies to be implemented to begin achieving sustainability is included. For this model
with the methodology of System Dynamics was built, as this is the one for the study of complex systems, where no
exchange of materials and information such as the supply chain. The strategies that were considered were: Reuse of
bagasse for energy, composting bagasse and stillage and stillage recirculation in the process. The simulations allow
us to see the need to implement these environmental management strategies if required to mitigate the negative
environmental aspects.
Keywords: Bioethanol, System Dynamics, Sustainability
1Escuela de Ciencias Exactas e Ingeniería, Universidad Sergio Arboleda
*Autor corresponsal: Calle 74 # 14-14, e-mail: [email protected]. Tel: 0057+33167983222 Bogotá D.C.
Resumen
Este trabajo presenta un modelo de una cadena de suministro teórica de bioetanol en Colombia, donde se incluye
aspectos ambientales y el modelamiento de estrategias ambientales que deben implementarse para comenzar a lograr
la sostenibilidad. Para esto se construyó un modelo con la metodología de Dinámica de Sistemas, ya que esta es la
adecuada para el estudio de sistemas complejos, donde hay intercambio de materiales e información como lo es una
cadena de suministro. Las estrategias que se tuvieron en cuenta fueron: Reúso de Bagazo para energía, Compostaje
de bagazo de caña y vinaza y recirculación de vinazas en el proceso. Las simulaciones permiten ver que es necesario
implementar estas las estrategias de gestión ambiental si se requiere mitigar los aspectos ambientales negativos.
Palabras Clave: Bioetanol, Dinámica de Sistemas, Sostenibilidad
Introducción
Bajo la premisa de que las empresas deben tener definido cuál es su direccionamiento estratégico, bajo el que deben
diseñar e implementar un plan de ejecución, donde apliquen las estrategias más adecuadas para lograr crecimiento y
supervivencia en el mercado, ha surgido la filosofía de organizaciones sostenibles, que buscan mitigar el impacto
ambiental y social sin afectar o mejorar su crecimiento económico.
Esta estrategia de sostenibilidad busca precisamente adecuarse y llegar a nuevos nichos de mercado o clientes que
buscan empresas ambientalmente responsables.
Entiéndase una estrategia como un conjunto de acciones planificadas sistemáticamente en el tiempo, que se llevan a
cabo para lograr un determinado fin. (Porter, 1995) La estrategia radica en la creación de una posición única y de
valor, que involucra la gestión de un conjunto de actividades significativas. Es por esto que vincular la sostenibilidad
en el direccionamiento estratégico empresarial permitirá crear esa posición única de valor que busca el mercado.
Debido a que en la actualidad, preservar y heredar un medio ambiente apto para la continuidad de la civilización se
ha convertido en una de las principales preocupaciones de la humanidad, se ha creado una visión de desarrollo
sostenible en la industria y la empresa, impulsada por un cambio de tecnologías y procesos que buscan mitigar el
impacto ambiental causado por el crecimiento industrial.
Lo anterior permitiría llegar a una producción más limpia, pasando desde el cambio de materias primas hasta la
optimización de las cadenas de suministro, convirtiéndolas en verdes y sostenibles. Sin embargo existe un campo
bastante amplio que aún no ha sido muy claro como es la forma en que se vincula el tema ambiental, con lo social y
lo económico, este campo es específicamente las cadenas de suministro.
Una cadena de suministro es la empresa extendida, que abarca los vendedores, fabricantes /productores,
distribuidores y minoristas. Se caracteriza por una estructura del stock y de los flujos para la adquisición,
almacenamiento y transformación de insumos en productos y reglas de decisión que rigen estos flujos (Forrester,
1999; Sterman, 2000). De esta forma la gestión o gerencia de cadena de suministro es cada vez más trascendental
para las organizaciones, ya que es el actor principal para lograr la sostenibilidad en las empresas.
Uno de los sectores productivos que más ha crecido en Colombia en la ultimada década es el sector de los
biocombustibles de primera generación, específicamente el de Bioetanol. Los biocombustibles representan en la
actualidad una fuente potencial de energía renovable, debido a la búsqueda de alternativas que permitan hacer frente
a la creciente demanda energética y a los problemas ambientales de diversas fuentes (Serna, et al 2011).
Las políticas del gobierno Colombiano apuntan a que la producción de bioetanol siga en crecimiento, teniendo en
cuenta el alto potencial que tiene el país para esto. De acuerdo con el Decreto 1135 de 2009, a partir del 1° de enero
del año 2012 los vehículos automotores hasta 2000 cm3 de cilindrada que se fabriquen, ensamblen, importen,
distribuyan y comercialicen en el país y que requieran para su funcionamiento gasolina, deben estar acondicionados
para que sus motores funcionen con sistema Flex-fuel (E85), es decir, que puedan funcionar normalmente utilizando
indistintamente gasolinas básicas o mezclas compuestas por gasolina básica de origen fósil con al menos 85% de
alcohol carburante. Sin embargo en la actualidad la gasolina que se comercializa en el país es E10
(FedeBiocombustibles 2014), es decir 90 % gasolina y 10 % Bioetanol. La baja mezcla de bioetanol es causada
principalmente por la alta demanda que tiene el país de estos combustibles y por la capacidad instalada limitada que
tiene el país para la producción de bioetanol. Como ya se mencionó anteriormente la apuesta del gobierno es
incrementar su producción en el corto plazo, pero teniendo en cuenta criterios de sostenibilidad que se establecieron
en el CONPES 3510 el cual busca que el país logre una producción eficiente y sostenible en el campo económico,
social y ambiental. Dado lo anterior es necesario desarrollar herramientas rigurosas que permitan vincular los
aspectos e impactos ambientales, sociales y económicos relacionados con el proceso productivo del bioetanol a lo
largo de la cadena de suministro. Para el desarrollo de esta investigación se parte de la base en que las cadenas de
suministro sostenibles deben cumplir con criterios ambientales y sociales por los partes que componen la cadena
(Seuring 2013). Dado lo anterior se construyó un modelo con la metodología de Dinámica de Sistemas para el
modelamiento y simulación de una cadena de suministro teórica de biocombustibles donde se asocien variables
ambientales y sociales para lograr la sostenibilidad que el gobierno Colombiano busca.
Biocombustibles
En Colombia desde la aprobación de la Ley 693 de 2001 se marcó la entrada de la nueva era mundial de los
combustibles de origen vegetal. Esta ley tuvo como propósito principal la diversificación de la canasta energética
colombiana a través del uso de alternativas compatibles con el desarrollo sostenible en lo ambiental, lo económico y
lo social. Esto se ha reflejado en el aumento de la producción de bioetanol y biodiesel a nivel nacional en los últimos
años.
Bioetanol
El bioetanol es un tipo de biocombustible producido de la fermentación alcohólica de azucares provenientes de
cultivos agrícolas o residuos de cultivos agrícolas. El bioetanol en Colombia se produce a partir de caña de azúcar,
debido a que la producción de este tipo de planta se encuentra consolidada en el país y presenta mayor eficiencia
energética frente a otras materias primas a partir de las cuales se produce el bioetanol (Flórez 2011).
Metodología
Debido a la naturaleza dinámica de las cadenas de suministro, la modelación se percibe como un instrumento natural
e importante para el análisis y diseño de cadenas de suministro y gestión de la cadena de suministro y que, además,
provee soluciones para un gran espectro de variables asociados a logística y abastecimiento en sus aspectos
estratégico, operacional y táctico (Tako & Robinson, 2012; Verbraeck & Van Houten, 2005). Dentro de las
metodologías de modelamiento y simulación se encuentra la Dinámica de Sistemas, esta es una metodología para el
análisis y resolución de problemas, la cual facilita el acercamiento al aprendizaje de sistemas complejos a través de
modelos formales y métodos de simulación (Ramírez, 2010). Así mismo permite la vinculación de variables externas
cuantificables, lo cual es idóneo para la sostenibilidad en cadena de suministro ya que permite la inclusión de
variables ambientales y sociales.
El modelado con Dinámica de Sistemas
En Dinámica de Sistemas se construyen representaciones sistémicas con flechas y puntos, denominadas diagramas
causales, que capturan todas las hipótesis propuestas por el modelador, desde las que se puede aprender del sistema
para intervenir sobre el en el ejercicio de decisión. Posteriormente el diagrama causal se puede representar en un
diagrama que cuantifica la percepción causal denominado diagrama de niveles y flujos, de donde se obtienen un
sistema de ecuaciones diferenciales ordinarias que representan el comportamiento del sistema por medio de las
simulaciones.
Resultados
El diagrama de niveles y flujos (Ver figura 1) de la cadena de suministro teórica de bioetanol se presenta a
continuación. Este presenta 6 variables de nivel, las cuales 3 son de una cadena de suministro simplificada y 3 son de
los aspectos ambientales asociados.
Figura 1. Diagrama de Niveles y flujos de la cadena de suministro propuesta
Tabla 1. Ecuaciones de estado del modelo
Nota: representa la función SMOOTH. Esta es una función del software Vensim, para representar retardos de
materiales en los modelos construidos con Dinámica de Sistemas.
Figura 2. Series de tiempo del modelo propuesto
Series de tiempo
40,000 ton200,000 Litros EtOH200,000 Litros EtOH
20 M Litros6,00060 M
0 ton0 Litros EtOH0 Litros EtOH0 Litros00
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
TiempoBagazo de Caña ton
Inventario de EtOH Fabrica Litros EtOH
Inventario EtOH Mayorista Litros EtOH
Vinazas Litros
Emisiones de CO2
Huella Hídrica en el Cultivo : Current
Denominación Ecuación Hectáreas ( ) de
Caña Sembrada
Inventario de
Bioetanol en
Fábrica ( )
[
] [ ]
Inventario de
Bioetanol del
Mayorista ( )
[ ]
[ ]
Bagazo de Caña
( )
Vinazas ( )
Toneladas ( )
Simulaciones
Para la simulación del modelo propuesto, se utilizó el software libre Vensim Ple. El periodo de simulación del
modelo se registra diariamente durante 90 días, teniendo en cuenta que la producción de bioetanol es diaria. El
método de integración utilizado es el Runge-Kutta 4 con tamaños de paso de 0,0625.
Los parámetros utilizados para la primera simulación estaban dados para que las condiciones iniciales de las
estrategias ambientales, no se estuvieran utilizando ósea valor del parámetro = 0, es decir en este escenario no existe
reúso de bagazo ni gestión de vinazas, lo cual causaría que existiera un crecimiento constante en el tiempo (Figura 2)
de estas dos variables.
Para la siguiente simulación se fue incrementado el valor de las condiciones iniciales de las dos estrategias. Es decir
valor del parámetro = 1 En este escenario se implementa un reúso de bagazo de caña y una gestión adecuada de las
vinazas generadas. En el resultado de la simulación (figura 3) también se incluyó el comportamiento en el tiempo del
inventario de bioetanol y el consumo de agua para el cultivo de caña, esta es denominada como la “Huella Hídrica”
en el Cultivo, con un valor de 18000 litros de agua por cada hectárea de caña.
Figura 3. Simulaciones de los aspectos ambientales asociados
Discusiones y Conclusiones
La metodología de la dinámica de sistemas es ideal para el estudio de cadenas de suministro, y se adapta a la
inclusión de nuevas variables que afecten o no el comportamiento del sistema estudiado, como las ambientales. Es
necesario implementar esta metodología para la toma de decisiones en las cadenas de suministro e incluirla dentro de
los conceptos de estudio cadenas de suministro verde.
Las cadenas de suministro verde comprende diferentes conceptos como: logística inversa, producción más limpia,
análisis de ciclo de vida y gestión ambiental entre otros, en este trabajo a pesar de que solo se incluyen dos
estrategias de gestión ambiental los resultados tienen coherencia con la realidad, lo cual nos invita a seguir
estudiando la gestión ambiental dentro de las cadenas de suministro, de manera que los resultados de las
simulaciones, se puedan validar y evaluar.
De acuerdo con la política colombiana de expansión de oferta de biocombustibles, es necesario que esta se enfoque
en la importancia ambiental que debe tener la cadena de suministro de bioetanol, ya que a mayor capacidad de
producción, mayor son las alteraciones ambientales que se presentarían sobre el medio ambiente.
Bibliografía
Porter, M. E., Van der Linde, Claas. (1995). Green and Competitive: Ending the Stalemate. Harvard Business Review, 73(5), 120-
134.
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ANHIDRO DE CAÑA, Disponible en línea: [http://www.fedebiocombustibles.com/v3/estadistica-mostrar_info-titulo-
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1 Coordenador Técnico no Projeto Dom Helder Camara - Ministério do Desenvolvimento Agrário (SDT/MDA) / Fundo
Internacional para o Desenvolvimento da Agricultura (FIDA). Rua Doutor Silva Ferreira, 122, Santo Amaro, CEP: 50040130 –
Recife, PE - Brasil. Telefone: (81) 3301-7388. [email protected]; Engenheira Agrícola e Ambiental.
[email protected] 2 Professora do Departamento de Engenharia Civil/ Centro de Tecnologia, Universidade Federal de Pernambuco (UFPE). Rua
Acadêmico Hélio Ramos, s/n, Várzea, CEP: 50740530 - Recife, PE – Brasil. Telefone: (81) 21268221. Fax: (81) 21267216.
[email protected] 3 Professor do Departamento de Tecnologia Rural, Universidade Federal Rural de Pernambuco (UFRPE). Av. Dom Manoel de
Medeiros, s/n, Dois Irmãos, CEP: 50710470 – Recife, PE – Brasil. Telefone: (81) 33206273. Fax: (81) 33206061.
AVALIAÇÃO DA QUALIDADE DO SOLO EM MANEJO AGROECOLÓGICO NO
SEMIÁRIDO DO NORDESTE DO BRASIL
SOIL QUALITY EVALUATION IN AGROECOLOGICAL MANAGEMENT IN THE
SEMIARID REGION OF NORTHEASTERN BRAZIL
Fábio dos Santos Santiago1*
Suzana Maria Gico Lima Montenegro2
Abelardo Antônio de Assunção Montenegro3
Maria Rafaela de Almeida Pinheiro1
Abstract Management practices that increase crop residues influence the Est C, and the retention of soil C results in raising
the drain-C atmospheric CO2 and global warming mitigation. The Semiarid region is characterized by high
evapotranspiration in relation to rainfall, high temperatures and intense microbial activity that accelerate the
decomposition of COT. Improper use of soil in Semiarid region is considered a problem for its sustainability. The
goal of this study was to evaluate the stock of organic carbon and related soil properties on agroecological
management (R area) in Caraúbas / RN, with production of fruits and vegetables compared to conventional (T area),
Apodi / RN. Single soil samples were collected at 0-20 cm depth, in both areas R and T, using georeferenced points,
totaling 22 samples. Indicators as Est C, COT, Ds and CTC were analyzed from 2008 to 2012, and subjected to
analysis of variance which averages were compared by Tukey test at 5% significance. It was observed that the Est C
average value for R area (38.43 t ha-1) was statistically different from T area (23.45 t ha-1). This same behavior
was observed in relation to the Ds averages between R area (1.34 g.cm3) and T area (1.57 g.cm3). There is a strong
correlation between COT and CTC in R area (R2=0.8461) and high dependency (r = 0.9198). The agroecological
management improves soil quality in relation to the conventional management, maintaining the productive capacity
of the soil in semiarid.
KeyWords: agroecology, cation exchange capacity, organic carbon, soil conservation and sustainability.
2
Resumo
As práticas de manejo que aumentem a adição de resíduos vegetais influenciam no Est C e a retenção de C no solo se
constitui em elevar o dreno de C-CO2 atmosférico e mitigação do aquecimento global. O Semiárido é caracterizado
por alta evapotranspiração em relação à precipitação, temperaturas elevadas e intensa atividade microbiana que
aceleram a decomposição do COT. O uso inadequado do solo no Semiárido é considerado um problema para sua
sustentabilidade. O objetivo deste estudo foi avaliar o estoque de carbono orgânico e atributos relacionados do solo
em manejo agroecológico (área R), Caraúbas/RN, na produção de hortaliças e frutas comparativamente ao
convencional (área T), Apodi/RN. Foram coletadas amostras simples de solo na profundidade de 0-20 cm, tanto na
área R quanto na área T, em pontos georreferenciados, totalizando 22 amostras. Foram analisados indicadores como
Est C, COT, Ds e CTC de 2008 a 2012, e submetidos à análise de variância e as médias comparadas pelo teste de
Tukey a 5% de significância. Observou-se que a média do Est C na área R (38.43 t.ha-1
) foi estatisticamente diferente
em relação à área T (23.45 t.ha-1
). Esse mesmo comportamento foi observado em relação às médias da Ds entre a
área R (1.34 g.cm3) e a área T (1.57 g.cm
3). Há forte correlação do COT e a CTC na área R (R
2=0.8461) e alta
dependência (r=0.9198). O manejo agroecológico melhora a qualidade do solo em relação ao manejo convencional
na manutenção da capacidade produtiva do solo no semiárido.
Palavras-chave: agroecologia, capacidade de troca de cátions, carbono orgânico, conservação do solo e sustentabilidade.
Introdução
As alterações climáticas globais constituem em um dos mais graves problemas ambientais deste século, tornando-se
uma preocupação mundial. Acredita-se que o aumento da concentração atmosférica de alguns gases de efeito estufa
(GEE), como dióxido de carbono (CO2), está diretamente relacionado aos aumentos de médias de temperatura em
diversas regiões da Terra (Gitay et al., 2002; IPCC, 2014). Essas mudanças são muitas vezes resultado de ações
antrópicas nos agroecossistemas, causando um desequilíbrio nos ciclos naturais, especialmente o ciclo do carbono.
Uma das modificações de relevância é o uso do solo, sobretudo no que se refere à agricultura. De acordo com IPCC
(2014), as práticas de manejo contribuem no estoque de carbono nos solos, podendo atuar como dreno ou fonte de
gases de efeito estufa (GEE). Os sistemas de manejo que aumentem a adição de resíduos vegetais e a retenção de C
no solo se constituem em alternativas importantes para aumentar a capacidade de dreno de C-CO2 atmosférico e
mitigação do aquecimento global (Amado et al., 2001; Bayer et al., 2006).
A substituição de ecossistemas naturais por agroecossistemas influencia as taxas de adição e de decomposição de
carbono, resultando na redução do conteúdo e alteração na qualidade de C do solo (Duxbury et al., 1989; Feigl et al.,
1995; Houghton, 1995; Giongo et al., 2011). O manejo do solo com a incorporação continuada de matéria orgânica
promove o equilíbrio do carbono no solo, que seria ecologicamente vantajoso, pela diminuição do CO2 da atmosfera,
reduzindo-se o efeito estufa e os impactos da atividade agrícola no ambiente (Siqueira, 1993; Lal et al., 1995).
O Semiárido é caracterizado por alta evapotranspiração em relação à precipitação, temperaturas elevadas e intensa
atividade microbiana que aceleram a decomposição da matéria orgânica, reduzindo o estoque de carbono no solo.
Aliado a este contexto, apresenta a distribuição de chuvas extremamente irregular no tempo e no espaço, resultando
em secas periódicas. O principal desafio dos agroecossistemas irrigados nesta região é a manutenção da
sustentabilidade ambiental, social e econômica. É importante que as práticas de manejo contribuam para a
manutenção e/ou elevação da fertilidade do solo.
As famílias agricultoras desempenham um importante papel na produção de alimentos no Semiárido, e especialmente
em áreas irrigadas. Para tanto, a transição dos agroecossistemas convencionais para agroecológicos torna-se como
estratégia para resiliência e manutenção da capacidade produtiva do solo. Por outro lado, contribui para a produção
de alimentos livres de adubos químicos solúveis dependentes de fontes de energia não renováveis e de agrotóxicos,
eliminando os riscos de intoxicação humana e contaminação dos recursos naturais.
3
A agroecologia busca maneiras de aperfeiçoar os agroecossistemas imitando aos processos naturais, criando,
portanto, interações biológicas benéficas e sinergias. Ela apresenta as condições de solo mais favoráveis para o
crescimento das plantas, particularmente pela gestão de matéria orgânica e pelo aumento na atividade biótica do solo.
Dentre os princípios básicos da agroecologia destacam-se: a reciclagem de nutrientes e energia nas propriedades
agrícolas, em vez da introdução de insumos externos; integrar cultivos agrícolas e a pecuária; diversificar as espécies
e os recursos genéticos dos agroecossistemas no tempo e espaço; e concentrar-se em interações e produtividade em
todo o sistema agrícola e não se concentrar em espécies individuais (Altieri, 2005).
Apesar da prática crescente da agroecologia, ainda existem poucos trabalhos científicos atestando os benefícios para
a qualidade do solo em áreas susceptíveis do semiárido. Neste contexto, o Projeto Dom Helder Câmara (PDHC) do
Ministério do Desenvolvimento Agrário (MDA), em colaboração com o Fundo Internacional para o
Desenvolvimento da Agricultura (FIDA), promove assessoria para o desenvolvimento social, econômico e ambiental
de famílias agricultoras no Semiárido no Nordeste do Brasil. Portanto, este trabalho teve como objetivo avaliar o
estoque de carbono orgânico e atributos relacionados do solo em manejo agroecológico na produção de hortaliças e
frutas comparativamente ao convencional.
Metodologia
O experimento foi realizado em área de atuação do PDHC/MDA/FIDA/GEF em dois agroecossistemas irrigados: um
agroecológico, considerado área referência (área R), 0.8 ha, na Comunidade de Agricultores Familiares de Sombras
Grandes e Milagres, 5º 37.27548’ S e 37º 26.71469 W, município de Caraúbas/RN; e outro convencional, área
testemunha (área T), 0.8 ha, na Comunidade de Agricultores de Carpina, 5º 41.41572’ S e 37º 46.0579’ W,
município de Apodi-RN (Figura 1). Ambos os experimentos estão localizados no Território do Sertão do Apodi/RN.
Os solos nestas duas comunidades são originados do embasamento sedimentar, sendo na área R um Cambissolo e na
área T um Neossolo (Embrapa, 2006). Contudo, apresentaram a mesma classe textural (franco arenoso) na
profundidade de 0–20 cm, conforme as proporções de areia total (%), silte (%) e argila (%), (Figura 2). Isso é
importante, uma vez que os usos provocam alterações diferentes em solos de texturas diferentes (Corrêa et al., 2009).
A região possui clima semiárido do tipo BShw’, segundo Köppen – Geiger, megatérmico, com curta estação chuvosa
no verão-outono, média anual de 400 a 600 mm e concentração das precipitações nos meses de maio e junho. A
vegetação predominante é do tipo Caatinga Hiperxerófila (Lira et al., 2012).
Os históricos de manejo nas áreas R e T, considerados como tratamentos, foram anotados de 2008 a 2012. As
principais práticas na área R: preparo inicial do solo com arado de aiveca/tração animal; sistema de irrigação por
microaspersão e gotejamento; composto orgânico; cobertura morta (palha de carnaúba e restos de palhada de capim
elefante); incorporação de resíduos vegetais; biofertilizante; urina de vaca; rotação de culturas; pousio de canteiros
com feijão de corda (Vigna unguiculata) e crotalária (Crotalária júncea); a diversidade de cultivo foi composta por
cenoura (Daucus carota), coentro (Coriandrum sativum), cebolinha (Allium fistolosum), beterraba (Beta vulgaris),
alface (Lactuca sativa), abóbora (Cucúrbita moschata), pimenta (Capsicum spp), banana (Musa paradisíaca),
mamão (Carica papaya), pinha (Annona squamosa), caju (Anacardium occidentale); Na área T: trator com arado ou
grade é utilizado a cada dois anos no preparo dos canteiros; uso intensivo de adubo químico, principalmente ureia; no
controle de pragas e doenças é usado agrotóxico; os cultivos foram de coentro (Coriandrum sativum), cebolinha
(Allium fistolosum), cenoura (Daucus carota) e beterraba (Beta vulgaris); sistema de irrigação é por aspersão;
utilização de esterco de gado.
Foram monitoradas as variáveis de indicadores de qualidade do solo: estoque de carbono (Est C); carbono orgânico
total (COT); densidade do solo (Ds); capacidade de troca catiônica (CTC). Coletaram-se amostras simples de solo na
profundidade de 0-20 cm, tanto na área R quanto na área T, em pontos georreferenciados, totalizando 22 amostras,
sendo duas em 2008 e quatro a cada ano (2009 a 2012). A densidade do solo foi determinada pelo método do anel
4
volumétrico com amostras indeformadas (Embrapa, 1997). Para o cálculo da CTC foi considerado a soma das
médias dos íons cátions como cálcio, magnésio, sódio, potássio e alumínio mais hidrogênio. Estes foram analisados
de acordo com a metodologia proposta pela Embrapa (2006).
A metodologia da análise do carbono orgânico total foi por via úmida (Walkley & Black,1934). Os estoques de C
foram calculados pela expressão (Veldkamp, 1994):
10
)( eDsCOTEstC
Equação (1)
Em que:
Est C = Estoque de COT em determinada profundidade (Mg.ha-1
) ou (t.ha-1
);
COT = teor de C orgânico total (g.kg-1
);
Ds = densidade do solo média da profundidade (kg.dm-3
); e
e = espessura da camada considerada (cm).
Os resultados das amostras de variáveis como Est C, COT, Ds, os íons cátions e CTC foram submetidos à análise de
variância (ANOVA). As médias foram comparadas pelo tipo de manejo (área R e área T), utilizando o teste de Tukey
a 5% de significância.
Resultados
Verifica-se na Tabela 1 que a média (38.43 t.ha
-1) do Est C na área R foi estatisticamente diferente em relação à área
T (23.45 t.ha-1
), ao nível de 5% de significância, e representando um diferencial de aproximadamente 64%. Este
valor é bem superior ao verificado (15%) por Santiago et al. (2012) em área com manejo da caatinga. Pode-se
observar que o coeficiente de variação (CV) do Est C, tanto na área R (32.44%) quanto na área T (43.64%) são
considerados muito altos (Pimentel-Gomes, 1985), ou seja, há forte influência das práticas de manejo nos
tratamentos estudados ao longo do tempo. Esse mesmo comportamento estatístico foi observado em relação às
médias da densidade do solo entre a área R (1.34 g.cm3) e a área T (1.57 g.cm
3).
A adição continuada de matéria orgânica na área R através de composto, rotação de culturas, cobertura morta,
pousio, consórcio e adubação verde pode ter influenciado na elevação da fixação de carbono e na melhoria da
estrutura do solo. Isso é fundamental, pois quanto menor for a Ds maior será a porosidade e a capacidade de
infiltração de água e, consequentemente, menor a variação térmica do solo. Otutumi et al. (2004) verificaram que o
sistema de cultivo que apresente maior quantidade de resíduos vegetais podem contribuir para o incremento do teor
de Est C no solo.
Observar-se na Tabela 2, que os valores de CTC para ambas as áreas não foram significativamente diferentes. Podem
ser classificadas como teores médios (Embrapa, 2006) e próximos da faixa de alto. O CV da CTC na área T
(29.86%) foi considerado alto e na área R (42.76%) muito alto (Pimentel-Gomes, 1985). Infere-se que o manejo pode
ter contribuído pela alta dispersão relativa da CTC, principalmente na área R que houve incremento continuado de
matéria orgânica nos anos estudados. A manutenção de teores de CTC acima de 10 cmolc.kg-1
é fundamental para
melhoria da capacidade do solo de reter e trocar cátions, prevenir a lixiviação de nutrientes e fornecer nutrição
adequada às plantas (Gliessman, 2006).
A Figura 3 mostra a forte correlação do COT e a CTC na área R. É possível observar o coeficiente de determinação
(R2=0.8461) da equação de regressão linear que a variância total da CTC pode ser explicada em 84.61% da COT e
com alta dependência (r=0.9198). Foi observado alto valor do coeficiente angular (12.341). Valores altos de Est C na
área R, textura franca arenosa, pode ter influenciado na elevação linear acentuada da CTC, devido à decomposição
do COT pela atividade microbiana do solo e do tipo de argila. Este valor foi superior ao encontrado por Santos et al.
5
(2009) em solos no estado de Alagoas/PE (6.1925) e por Ciotta et al. (2013) estudando solos de plantio direto no
estado do Paraná/PR (3.481).
As mudanças na composição da matéria orgânica e as reduções nos estoques de carbono comprometem a
sustentabilidade dos agroecossistemas, uma vez que a maior disponibilidade no solo de compostos orgânicos pode
aumentar a CTC (Bayer, 1999), a atividade microbiana (Scherer et al., 2007), aumentar a capacidade de
armazenamento de água e reduzir a adsorção de grupamentos fosfatos aos colóides do solo (Guertal et al., 1991). A
fixação de COT através de práticas de manejo é fundamental para manter os processos de ciclagem de nutrientes e
aumento da diluição dos sais na superfície do solo.
As frequências acumuladas estatísticas do COT (Figura 4) apontam que aproximadamente 66 % das amostras de solo
na área R apresentaram valores acima de 10 g.Kg-1
e 42 % superiores a 15 g.Kg-1
. Fraga e Salcedo (2004), estudando
áreas de caatinga com raleamento do estrato arbóreo e bem conservada, encontraram teores médios de 13.2 g.kg-1
,
enquanto que em áreas degradadas apresentaram teores em torno de 8 g.kg-1
na profundidade de 0-15 cm. Giongo et
al. (2011) encontraram em manejo agroecológico em áreas de roçado valores médios de COT de 10. 62 g.Kg-1
Os
valores de COT verificados na área R são influenciados pelo manejo agroecológico adotado ao longo do tempo,
principalmente devido à manutenção dos resíduos vegetais sobre a superfície e redução do revolvimento do solo
(Santiago et al., 2012). Por outro lado, na área T apenas 20% das amostras tiveram valores acima de 10 g.Kg-1
e 80
% abaixo deste.
Foram analisadas as frequências acumuladas estatísticas do Est C das áreas R e T (Figura 4). Cerca de 90% das
amostras da área R apresentaram escores superiores a 20 t.ha-1
. Estes valores são maiores aos encontrados por
Tiessen et al. (1998), de 20 t.ha-1
em solos conservados no Semiárido do Nordeste do Brasil, enquanto na área T, 50
% das amostras foram superiores a 20 t.ha-1
e apresentando uma média de 23.45 t.ha-1
(Tabela 1). Desta forma, pode-
se notar que a manejo convencional com uso de esterco contribui para elevação do Est C no solo.
Conclusões
As práticas agroecológicas realizadas no solo na área R proporcionaram elevado Est C em relação à área
convencional (área C), de modo a contribuir para mitigação do CO2 atmosférico e diminuição da Ds. Na área R a
CTC apresentou forte dependência com a elevação do COT, indicando que a maioria das cargas negativas do solo foi
influenciada pelo COT. O manejo agroecológico contribuiu para manutenção da fertilidade do solo, sem a
necessidade de insumos de alta dependência em energia não renovável.
Agradecimentos. - Ao Programa de Pós Graduação de Engenharia Agrícola da Universidade
Federal Rural de Pernambuco pelo incentivo a pesquisa no campo da agroecologia no
Semiárido no Nordeste do Brasil. Ao Projeto Dom Helder Camara/MDA/FIDApelo apoio
financeiro e metodológico de experimentos inovadores de referência.
6
Figura 1. Localização das comunidades onde foram realizados os experimentos.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Freq
uênc
ia a
cum
ulad
a
Área R - Areia (%) Área R - Argila (%) Área R - Silte (%)
Área T - Areia (%) Área T - Argila (%) Área T - Silte (%) Figura 2. Frequências acumuladas estatísticas das proporções de areia total(%), silte(%) e argila(%) nas áreas R e
T.
* Significativo a 5%.
y = 12.341x* - 0.6084
R² = 0.8461
0
5
10
15
20
25
30
4 9 14 19 24
CT
C (
cmol
c/k
g)
COT (g/kg)
Figura 3. Equação de regressão da correlação do COT com a CTC na área R.
7
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1,0
0 10 20 30 40 50 60 70
Fre
quên
cia
Acu
mau
ldaa
Área R - COT (g/kg) Área T - COT (g/kg) Área R - Est C (t/ha) Área T - Est C (t/ha)
Figura 4: Frequências acumuladas estatísticas do carbono orgânico total (g/Kg) e do estoque de carbono (t/ha) nas
áreas R e T.
Tabela 1. Indicadores químicos e físicos no período de 2008 a 2012 em diferentes manejos.
0 a 20 cm
Tratamentos COT
1 Ds
1 Est C
1
Média CV Média CV Média CV
g.Kg-1
(%) g.cm-3
(%) t.ha-1
(%)
Área R 13.2 a 37.86 1.34 b 9.23 38.43 a 32.44
Área T 7.6 b 38.28 1.57 a 4.21 23.45 b 43.64
1letras diferentes nas colunas, as médias diferem estatisticamente pelo teste de Tukey a 5% de significância; ns= não
significativo. CV = coeficiente de variação.
Tabela 2. Indicadores químicos no período de 2008 a 2012 em diferentes manejos.
0 a 20 cm
Tratamentos
Cálcio (Ca)1 Magnésio (Mg)1 Potássio (K)1 Sódio (Na)1 Alumínio e
hidrogênio (Al+H)1 CTC1
Média CV Média CV Média CV Média CV Média CV Média CV
cmolc.Kg-1 (%) cmolc.Kg-1 (%) cmolc.Kg-1 (%) cmolc.Kg-1 (%) cmolc.Kg-1 (%) cmolc.Kg-1 (%)
Área R 9.47 ns 51.93 3.36 ns 71.95 0.39 ns 78.50 0.30 ns 53.33 1.92 b 4.92 15.63 ns 42.76
Área T 9.35 ns 43.34 4.20 ns 45.19 1.24 ns 124.19 0.46 ns 113.04 2.31 a 13.67 16.81 ns 29.86
1letras diferentes nas colunas, as médias diferem estatisticamente pelo teste de Tukey a 5% de significância; ns = não
significativo.
8
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1
MURO ECOLÓGICO. MuEc. ELABORADO CON GRANULADO DE PET
GREEN WALL MuEc. MADE WITH PET GRANULES
Areli Flores Rivera 1*
Cristobal Ramirez Vega 2
Alfredo Trejo Martinez 2
Maria Luisa Lozano Camargo2
Leonardo David Herrera Zúñiga 1, 2
Abstract During the last decades significantly increased pollution levels in the environment for the enormous waste pet are
generated daily. to minimize the environmental impact they have conducted research and studies for the reuse of
this, generating a viable, environmentally friendly alternative reusing the pet in the development of a green wall
(csme) with cement, composed of a core of polyethylene terephthalate which, when mixed with Portland cement type
one setting of greater resistance, not brittle, and leaching thermo acoustic effect, that compared to conventional
construction methods, is obtained by the above the same represents an alternative technological innovation,
sustainable and does not affect the environment and benefits the construction industry . thus, a comprehensive
management of plastic products with low degradation capacity is obtained.
Key Words: granulate the PET, Resistance and rupture force
1 División de Ingeniería Ambiental, Tecnológico de Estudios Superiores del Oriente del Estado de México. 2 División de Ciencias Básicas e Ingeniería, Universidad Autónoma Metropolitana; Unidad Iztapalapa.
*División de Ingeniería Ambiental, Tecnológico de Estudios Superiores del Oriente del Estado de México. Paraje San Isidro / Av.
De las Torres, s/n – Barrio de Tecamachalco, La Paz, Estado de México. Código Postal 56400. México. Email:
2
Resumen
Durante las últimas décadas a incrementada de manera significativa los índices de contaminación en el ambiente por
los enormes desechos de pet que se generan día a día. para minimizar el impacto ambiental se han realizado diversas
investigaciones y estudios para la reutilización de este, generando así una alternativa viable, económica y ecológica
reutilizando el pet en la elaboración de un muro ecológico(muec) a base de cemento, integrado por un núcleo de
tereftalato de polietileno, que al mezclarse con cemento tipo portland se obtiene un fraguado de mayor resistencia, no
quebradizo, capacidad termo acústica y lixiviación, esto en comparación con los métodos convencionales de
construcción, por lo antes mencionado el muec representa una alternativa de innovación tecnológica, sustentable y
que no afecta al medio ambiente y beneficia a la industria de la construcción. de esta manera se obtiene un manejo
integral de productos plásticos con baja capacidad de degradación.
Palabras claves: granulado de pet, resistencia y fuerza de ruptura
Introducción
La contaminación generada por desechos de PET ha contribuido a que en la actualidad se tengan altos índices de
contaminación, por ello, se han buscado alternativas viables generando nuevos prototipos que proporcionen una
neutralización de los contaminantes
Dichos materiales pueden ser empleados en la industria de la construcción siempre y cuando cumplan con las normas
y calidad que ésta exige.
Es importante destacar la diferencia que existe entre el reciclaje y reutilización del tereftalato de polietileno, mejor
conocido como PET, el primero se basa en realizar un proceso secundario que permita dar de nuevo una vida útil al
material; mientras que la reutilización permite dar un uso al material sin alterar la composición del producto original:
por lo que resulta ser una medida favorable en la reducción del impacto ambiental. Por ello, la elaboración de block a
base de PET, permite aprovechar de manera útil los materiales plásticos.
El prototipo fue sometido a una prueba de compresión simple y adsorción de agua máxima con la finalidad de
determinar si cumple con la norma de calidad NMX-C-404-ONNCCE-2005.
La necesidad de solucionar la gestión de residuos sólidos urbanos impulsa el desarrollo de sistemas alternativos del
reciclado. Dichas soluciones están a cargo, de las empresas, aunque actualmente la sociedad ha empezado a crear
conciencia y cultura al preocuparse por el medio ambiente.
Alrededor de un 75% del PET recuperado se usa para hacer fibras de alfombras, ropa y geotextiles. La mayor parte
del 25% remanente es extraído en hojas para termoformado, inyectado/soplado en envases para productos no
alimenticios, o compuesto para aplicaciones de moldeo.
Este modelo implementado en la construcción de un MuEc, ha demostrado su eficiencia mediante estudios físico-
mecánico.
Justificación
Debido a que México ocupa uno de los primeros lugares a nivel mundial en el consumo de productos
manufacturados y envases desechables, se producen al día aproximadamente 4,033 toneladas de residuos plásticos,
de los cuales se recicla únicamente el 10% y el 90% restante es depositados en predios baldíos, barrancas, ríos y en el
mejor de los casos sepultados en rellenos sanitarios contaminando el subsuelo, por consecuencia los mantos
acuíferos hasta por un período de más de 500 años, situación que origina altísimos costos económicos y ecológicos.
Darle una segunda oportunidad a los materiales PET, y genera nuevas fuentes de trabajo en la zona e inculcar a las
nuevas generaciones la cultura de reciclaje, la importancia que tiene separar la basura y colocarla en su lugar.
Aunque no se puede afirmar en porcentajes la contribución benéfica al medio ambiente, por el simple hecho de
reutilizar o reciclar un material de desecho es una manera de ayudar a reducir la contaminación ambiental.
3
Al diseñar la formulación de la elaboración de muros implementando plástico triturado en combinación con los
elementos de uso tradicional, el resultado es importante porque el producto surge como innovador, con un precio
muy accesible puesto que contiene materiales de recicle (PET).
Ya existen bloques similares, pero a diferencia de que en estos no se utiliza ningún aditivo químico y varia en su
dosificación; coadyuvando a fomentar la cultura de reciclaje a toda sociedad.
Con esta propuesta se quiere cumplir que la norma mexicana correspondiente a la industria de la construcción
entorno a todos los productores de bloques para su mayor calidad.
Por ello, este proyecto tiene como finalidad dar una solución al manejo inadecuado de residuos plásticos generados
en la zona oriente del Estado de México, creando en la comunidad y sus alrededores una cultura de concientización,
sobre el manejo de estos desechos, previniendo daños en la salud humana, fauna y flora de la región del Oriente,
minimizando la formación de lixiviados tóxico y nocivos.
Siendo este una alternativa de construcción económica y de aprovechamiento para los desechos generados de PET,
ya que tiene como ventaja crear un fraguado ecológico, amigable con el medio ambiente, sustentable, funcional y
económico, para la industria de la construcción.
Objetivo general
Desarrollar una alternativa ecológica y económica para la industria de la construcción, mediante la implementación
de un muro ecológico realizado con cemento hidráulico teniendo como base un núcleo granulado de tereftalato de
polietileno.
Hipótesis o meta de ingeniería
Formular una mezcla para fabricar un muro con material reciclado (PET) que cumpla con las características de
resistencia que estipula la normatividad mexicana. Mediante el desarrollo de un muro de concreto hidráulico
coadyuvado de un andamiaje y núcleo a base tereftalato de polietileno granulado se pretende obtener una mejora
significativa en las prioridades físicas, elásticas y termo-acústicas que deriven en un producto de valor agregado para
la industria de la construcción en comparación con un muro elaborado mediante técnicas y materiales
convencionales.
Antecedentes
El PET es un tipo de plástico constituido químicamente por un polímero que se obtiene mediante una reacción de
poli-condensación entre el ácido tereftálico y el etilenglicol. El PET pertenece al grupo de materiales sintéticos
denominados poliésteres, en su gran mayoría es incoloro pero admite cargas de colorantes e inocuo para el ser
humano, lo cual le permite ser un plástico de usado convencional como envase primario en alimentos y textiles.El
cemento portland consiste en un conglomerante o cemento hidráulico que, cuando se mezcla con áridos, agua y
fibras de acero discontinuas tiene la propiedad de conformar una masa pétrea resistente y duradera denominada
hormigón, químicamente reacciona con el agua para dar lugar a proceso de aglutinado para fraguar y endurecer.
Por otra parte el PET se ha convertido en un contaminante polivalente contaminado desde ríos, lagos y drenajes
hasta alcanzar el amito social mediante un impacto visual negativo.
Actualidad las empresas han intentado incursionar en la utilización del PET para la industria de la construcción, en
las cuales se encuentran la empresa Eco-Tec Soluciones fundada en 2001, pionera en la construcción de casas y
tanques de almacenamiento de agua con botellas PET rellenas de tierra. Años después, como consorcio las empresas
GRIME y Eco-Tec Soluciones, en conjunto con el departamento de Estructuras y Construcción de la Pontificia
Universidad Javeriana documentaron el proceso constructivo, así como las pruebas piloto para evaluar la resistencia
mecánica, compresión y comportamiento mecánico tanto de las botellas rellenas como de los muros realizados con
botellas rellenas.
4
La documentación sobre la realización de una estructura a base de PET funcional se tiene por estructurada por la
Agencia Nacional de Promoción Científica y Tecnológica en argentina, la cual construyó una oficina de 12 m2 con
ladrillos elaborados de este material y cemento, de manera individualizada, sin ser propiamente una aleación como
pretende ser MuEc, por lo cual no se presenta información detallada o anterior del uso de una muro a base de
concreto con núcleo de PET (CEVE. 2004).
Marco teórico
La utilización de hormigón con un núcleo granulado a base de PET es una enotecnia nueva no estudiada. Sin
embargo presenta muchas propiedades benéficas tanto ambientales como productivas para la industria de la
construcción ya que al utilizar residuos sólidos plásticos para crear estructuras de alto valor agregado para la
construcción, el cual es el caso de MuEc.
Las propiedades del PET por si solo son excelentes y son muy utilizadas en diferentes propósitos como a
continuación se indican. El PET (tereftalato de polietileno) fue producido por primera vez en 1941 por los científicos
británicos Whinfield y Dickson, quienes lo patentaron como polímero para la fabricación de fibras. En la actualidad
el PET se utiliza principalmente en tres líneas de producción:
PET textil: utilizado para fabricar fibras sintéticas, principalmente poliéster. Se emplea para fabricar fibras de
confección y para relleno de edredones o almohadas, además de usarse en tejidos industriales para fabricar otros
productos como cauchos y lonas.
PET botella: utilizado para fabricar botellas por su gran resistencia a agentes químicos, gran transparencia, ligereza y
menores costos de fabricación.
PET film: utilizado en gran cantidad para la fabricación de películas fotográficas, de rayos X y de audio.
En lo que concierne a la industria de la construcción, se ha reportado la realización de la construcción de casa con
botellas de PET rellenas de tierra, sin embargo la técnica de granulado de PET no se a llevado de manera formal,
comercializado o estudiado (QuimiNet 2005).
Al mezclar cemento, arena con un granulado de PET se produce un producto muy resistente a comparación de los
materiales de construcción convencionales tales como los ladrillos, tabiques y block. La resistencia se basa en que:
las fibras de PET, al aplicárseles esfuerzo cortante evita que la acción de fractura difunda de manera homogénea
retardando la acción de quebrantamiento de este, de manera similar retarda la acción corrosiva del mismo muro, así
como la filtración de agua, mismo que actúa como un aislante térmico y acústico.
Métodos y procedimientos
Las etapas realizadas en esta investigación fueron las siguientes:
Programación y control de experiencias con fabricación de probetas, tomando como variables: dosificación de
materiales, granulometrías, tipo de materiales, procedimientos de elaboración, formas de
compactación, métodos de curado, y diseño morfológico de componentes.
Realización de ensayos normalizados en laboratorios, a fin de establecer propiedades físicas.
Programación de ajustes en las fórmulas y en el diseño de los elementos constructivos, en base a las fallas
observadas. Repetición del ciclo de actividades.
Evaluación económica comparativa de los elementos constructivos desarrollados.
Construcción de prototipos experimentales.
5
Evaluación final de los elementos constructivos desarrollados desde los puntos de vista ecológico, técnico,
económico y social.
El procedimiento que se utiliza para la fabricación de lo elementos constructivos es el siguiente:
Se realiza el triturado del plástico con un molino diseñado para tal fin.
Las partículas plásticas se mezclan con cemento Pórtland, luego se agrega agua, cuando esta mezcla adquiere
consistencia uniforme, se la vierte sobre una malla metálica con la finalidad de moldear, según elemento constructivo
deseado y se dejan en reposo.
En el siguiente esquema se muestran los pasos que se realizaron para la elaboración del MuEc.
Resultados
Sea logrado tener una mayor resistencia del bloque generado a base de PET que será empleado en la construcción de
un MuEc en comparación con los métodos de construcción convencionales, en el corto tiempo se planea poner en
práctica esta técnica dentro del TESOEM con la finalidad de obtener la totalidad de las pruebas, así como para la
caracterización de su durabilidad. En la Figura 1. Se muestra la fotografía del primer prototipo o muro ecológico
realizado con las técnicas de MuEc, donde se puede observar un muro plano con el núcleo de PET muy definido.
6
Figura 1, Fotografía del primer prototipo realizado
En la Tabla 1, se presentan los resultados de los estudios realizados en cuanto a tamaño de partícula, fuerza,
tensión y ruptura del MuEc, al emplear diferentes gránulos de partícula.
Tabla 1. Resumen de las pruebas realizadas sobre dos tipos de núcleo y comparativo con muestras convencionales
MuEc (partícula A) MuEc (partícula B) Tabique
convencional
Ladrillo rojo
cerámico
Tamaño (mc) 25 x 12 25 x 12 24 x 12 25 x 12
Prueba de fuerza (kgF) 1134.43 571,997 323,441 1086.64
Prueba de
tensión(kgf/mm2)
0.6041 0.03451 0.02130 0.11896
Fuerza de Ruptura
(kgf)
1065.92 526,588 1086.64
7
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ONNCCE-2005.pdf
1
EFEITO DO TIPO DE BEBEDOURO NA PRODUÇÃO DE DEJETOS, E NOS CUSTOS
ASSOCIADOS À SUA ESTOCAGEM, NA SUINOCULTURA
THE EFFECT OF THE DRINKER TYPE AT MANURE PRODUCTION, AND COSTS
ASSOCIATED FOR THEIR STORAGE, IN PIG PRODUCTION
Jorge Manuel Rodrigues Tavares 1*
Paulo Belli Filho 1
Arlei Coldebella 2
Paulo Armando Victória de Oliveira 2
Abstract This study aimed the determination of water disappearance and manure production at 15 commercial
growing/finishing pig farms in Brazil. Developed between April and December 2011, this study monitored a 6928
pigs, were it was measured the water disappearance (water intake + waste) and the manure production using 3 types
of drinkers, and considering 2 housing periods; subsequently, it was established the impact of the drinker in the costs
associated for the manure storage, and it was determined the physic-chemical characteristics of the manure
produced. To fulfill the aims, 55 water meters and 15 fiberglass tanks were installed at pig production farms. The
water consumption and manure production for the housing periods evaluated (10 and 15 weeks) were 7.13 and 7.62
L·pig-1
·d-1
; 4.20 and 4.58 L·pig-1
·d-1
, respectively. Although the water disappearance averages haven’t shown
differences between drinkers, the averages obtained for manure production exhibited significant differences between
the bite-ball nipple and the other drinkers. The farms with conventional nipple installed were those who presented
the lower averages for water disappearance (6.84±0.45 L·pig-1
·d-1
) and hence for manure production (4.15±0.21
L·pig-1
·d-1
) considering the housing period of 15 weeks. The analysis of physic-chemical variables showed high
heterogeneity, with increasing trends for average concentrations according to housing periods. Comparing two pig
farms with 300 animals and 15 weeks housing (bite-ball nipple and conventional nipple drinkers, respectively) it was
observed that the pig farms with conventional nipples decreases the storage costs around R$2430.00 per production
cycle.
Key Words: Drinker type, manure production, pig farms, storage costs, water disappearance.
1 Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina.
2 Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Suínos e Aves.
*Departamento de Engenharia Sanitária e Ambiental, Universidade Federal de Santa Catarina, Campus Reitor João David Ferreira
Lima, Caixa Postal 476 – Bairro Trindade - Florianópolis - Santa Catarina - Brasil - CEP 88040-970 – Tel.:+55(48)3721-7743.
2
Resumo
Esta pesquisa visou determinar o consumo de água e a produção de dejetos em 15 granjas comerciais de suínos na
fase de crescimento/terminação, no Brasil. Desenvolvida entre abril a dezembro de 2011, a pesquisa monitorou um
total de 6928 suínos, onde se mediu o consumo de água (ingestão animal + desperdício) e a produção de dejetos em
função de três tipos de bebedouros (chupeta bite-ball, chupeta convencional e taça/concha horizontal) e do tempo de
alojamento dos animais (10 e 15 semanas); posteriormente, estabeleceu-se o impacto do equipamento nos custos
associados à sua estocagem e, caracterizando-se paralelamente, a qualidade dos dejetos produzidos. Para o
cumprimento dos objetivos, instalaram-se nas granjas um total 55 hidrômetros (um em cada linha de água que
abastecia o edifício de produção) e 15 caixas de fibra de vidro de 5.0 m3; amostras pontuais de dejetos foram
coletadas semanalmente nas 15 granjas monitoradas. O consumo de água e a produção de dejeto, em função do
tempo de alojamento (10 e 15 semanas) foram 7.13 e 7.62 L·suíno-1
·d-1
e 4.20 e 4.58 L·suíno-1
·d-1
, respectivamente.
Embora as médias do consumo de água não tenham apresentado diferenças entre os bebedouros, as médias obtidas
para a produção de dejetos exibiram diferenças significativas entre o bebedouro chupeta bite-ball e os demais
avaliados. As granjas com bebedouro chupeta convencional, alojamento de 15 semanas, apresentaram os valores
médios mais baixos para o consumo de água (6.84±0.45 L·suíno-1
·d-1
) e, consequentemente, para a produção de
dejetos (4.15±0.21 L·suíno-1
·d-1
). As variáveis físico-químicas analisadas mostraram elevada heterogeneidade,
apresentando tendências crescentes nas concentrações determinadas em função do tempo de alojamento. Ao
comparar duas granjas com 300 suínos, ciclo de alojamento de 15 semanas e, com chupeta bite-ball e chupeta
convencional, respectivamente, observa-se que aquela que apresenta chupeta convencional instalada, pode reduzir os
custos associados à estocagem dos dejetos, em R$2430.00 por ciclo de produção.
Palavras-chave: Consumo de água, custo de estocagem, produção de dejeto, suinocultura, tipo de bebedouro.
Introdução
As reservas e a qualidade da água disponível para a dessedentação dos suínos vêm-se apresentando como tema
central de estudo e análise no decorrer dos últimos anos. A crescente degradação e consequente aumento da poluição
nos recursos naturais têm pressionado o meio acadêmico e científico, a realizar diversas pesquisas sobre as possíveis
causas e efeitos da produção agropecuária no ambiente. O elevado consumo de água e a crescente demanda em
regiões de produção pecuária intensiva vêm reduzindo a qualidade e a disponibilidade das reservas naturais de água
(fontes superficiais e subterrâneas) que suprem as necessidades primárias dos animais (Oliveira, 2002a). A
intensificação dos sistemas de produção de animais confinados (SPAC) associada aos constrangimentos ambientais
implícitos pela redução drástica das reservas de água disponível tem levado a um incremento na pressão da utilização
da água como insumo na produção (Ferreira et al., 2007; Lana, 2009). Atualmente, a água é considerada um recurso
natural finito, essencial para a vida dos organismos vivos e o principal nutriente para os animais. Apesar de ser um
dos principais fatores na produção suína, no planejamento dos sistemas de produção, a água enquanto nutriente tem
acabado muitas vezes por ser negligenciada (Oliveira, 2004). O uso eficiente deste insumo tornou-se obrigatório na
agropecuária, e especificamente, na produção suína. Deste modo, enquanto recurso natural, a sua qualidade é afetada
em caso de má gestão tornando-se um bem cada vez mais escasso e essencial no futuro, podendo mesmo
comprometendo a sustentabilidade da própria atividade (Ferreira et al., 2007).
A produção suinícola no Brasil desenvolveu modelos produtivos em sistemas intensivos, cujo manejo diário
associado à limpeza das granjas resulta na geração de elevados volumes de dejetos, gerando problemas nas etapas
necessárias ao seu manejo: produção; coleta; armazenamento; tratamento; distribuição e utilização (Perdomo, 1999,
Oliveira, 2002a). Consequentemente, quando lançados de modo inadequado no meio receptor natural (água e/ou
solo), os dejetos agravam o problema ambiental devido ao seu elevado impacto poluente (Diesel et al., 2002;
Tavares, 2008). Os dejetos produzidos diariamente são armazenados em canaletas externas ao edifício de alojamento
ou em valas localizadas nas baias coletivas, em posição inferior aos suínos, sendo posteriormente conduzidos por
gravidade para as esterqueiras ou biodigestores tipo lagoa coberta (Belli Filho et al., 2001; Oliveira, 2004; Kunz et
al., 2009). O desperdício de ração e água inerente aos equipamentos de produção instalados nas granjas, em conjunto
com o volume excessivo de água gasto nos programas de limpeza e desinfeção (PLD), faz dos dejetos produzidos
3
uma importante fonte de poluição, principalmente quando o manejo e o destino final são realizados incorretamente
(Tavares, 2012). A quantidade e a qualidade dos dejetos produzidos nas granjas estão associadas ao manejo diário do
produtor, em que o volume e as características físicas, químicas e biológicas dependem de inúmeros fatores, tais
como: tipo de edificação, fase fisiológica do ciclo de produção, tipo de bebedouro (consumo e desperdício
associado), PLD (uso ou não de lâmina de água), desvio das águas pluviais, ração (tipo de ração, composição e
comedouro), suínos (número, genética, peso vivo e idade), condições ambientais (temperatura e umidade relativa do
ar) e sistema de armazenamento/tratamento dos dejetos (Oliveira, 1993, 2002a; Dartora et al., 1998; Diesel et al.,
2002; Ferreira et al., 2006, 2007; Gomes et al., 2009; Babot et al., 2011).
Segundo a Instrução Normativa 11 – IN11 da Fundação do Meio Ambiente do estado de Santa Catarina (FATMA),
os dejetos devem ser armazenados por um período mínimo de 120 dias (para decomposição de material carbonáceo,
transformação de compostos nitrogenados, adsorção do fósforo e redução dos microrganismos patogênicos) sendo
posteriormente aplicados no solo como fertilizante orgânico, em volume máximo 50.0 m³·ha-1
·ano-1
. No
licenciamento de estruturas de estocagem este órgão utiliza como referência o valor de 7.0 L suíno-1
·d-1
na fase
fisiológica de crescimento-terminação na cadeia de produção de suínos. No entanto, este valor mostra-se defasado da
realidade, elevando o custo de estocagem por m3 de dejeto entre R$65.00 e R$33.00 para unidades variando de 300 a
2000 suínos, respectivamente.
Esta pesquisa teve como objetivo geral determinar o consumo de água e consequente produção de dejetos em 15
granjas comerciais de suínos, na fase fisiológica de crescimento/terminação em Santa Catarina. Como objetivos
específicos: a) avaliar e comparar os resultados obtidos em função de três tipos de bebedouros para a dessedentação
animal [chupeta bite-ball (BB), chupeta convencional (CH) e taça/concha horizontal (BO)] e do tempo de alojamento
dos suínos (10 e 15 semanas); b) avaliar a característica físico-química dos dejetos produzidos, independentemente
do tipo de bebedouro instalado; e c) estabelecer o impacto do bebedouro na redução do volume de dejetos e custos
associados à construção das estruturas de estocagem.
Metodologia
O experimento foi desenvolvido em 15 granjas comerciais de suínos na fase fisiológica de crescimento/terminação,
considerando-se dois períodos de alojamento (10 e 15 semanas). Foram monitorados, no total, 17 ciclos de produção
(6928 suínos), no período entre abril e dezembro de 2011 (Estado de Santa Catarina, Brasil). As médias semanais do
consumo de água e produção de dejeto foram determinadas e analisadas utilizando o PROC MIXED para medidas
repetidas do Statistical Analysis System© (SAS Inst. Inc., Cary, NC), considerando o efeito de tipo de bebedouro, a
época, o tempo de alojamento dos suínos (como medida repetida), a interação desses fatores e 16 tipos de matrizes
(estrutura de variância e covariância) (XAVIER, 2000). A estrutura das matrizes usadas na análise foi escolhida com
base no menor valor do Critério de Informação de Akaike (AIC). O método de estimação usado foi o de máxima
verossimilhança restrita. O desdobramento da análise para o efeito de tipo de equipamento foi realizado através do
teste t, sempre que o teste F foi significativo a 5%. Toda a análise estatística foi realizada para dois tempos de
alojamento (10 e 15 semanas). Todos os dados obtidos no decorrer da pesquisa foram sujeitos a uma análise
estatística descritiva.
A medição do consumo de água foi realizada do dia de alojamento dos suínos até à sua saída para o frigorífico.
Nesta, foi considerada a água ingerida e desperdiçada (consumo animal) e outros gastos associados à produção
(umedecimento da ração, nebulização e limpeza de equipamentos e instalações). As granjas possuíam um dos três
bebedouros em avaliação (BB, CH e BO – cinco granjas para cada tipo). Para a determinação do consumo de água
foram instalados 55 hidrômetros no total (Unimag Cyble PN 10, ITRÓN Inc., Liberty Lake, Washington), um em
cada linha de água que abastecia os edifícios de produção, para os itens enumerados anteriormente. As leituras dos
hidrômetros em cada granja foram realizadas e registradas pelos produtores, em intervalos de 24 horas, sendo
posteriormente coletadas pela equipe de campo, para análise e correção/eliminação de erros.
A produção total de dejetos foi medida em caixas de fibra de vidro com volume total de 5.0 m3 [Fibratec PRFV 819
(diâmetro menor: 1.70 m; diâmetro maior: 2.13 m; altura: 1.76 m) e Fortlev (diâmetro menor: 1.86 m; diâmetro
4
maior: 2.21 m; altura: 1.64 m), Araquari, SC, Brasil], instaladas entre o edifício de alojamento e o sistema de
armazenamento/tratamento de cada granja de suínos (esterqueira e/ou digestor). Os dejetos produzidos e
armazenados nas canaletas localizadas no exterior do edifício foram transferidos diariamente para as caixas de fibra
de vidro por gravidade. A determinação do volume de dejetos foi realizada diariamente pelo produtor (período de 24
horas), através da medição da altura da lâmina de água do dejeto armazenado no interior das caixas.
A Figura 1 exibe o procedimento diário de leitura da altura dos dejetos por parte do produtor.
Figura 1. Procedimento de leitura da altura da lâmina de água nos dejetos produzidos.
Os dejetos produzidos foram amostrados pontualmente, todas as semanas, pela equipe de campo durante as visitas
semanais às granjas de suínos, segundo o cronograma de atividades proposto. Posteriormente, as amostras semanais
coletadas nas 15 granjas selecionadas foram analisadas, do ponto de vista físico-químico, pelos técnicos laboratoriais
da Embrapa Suínos e Aves, em Concórdia. A amostragem em cada granja foi realizada após a seleção dos locais nas
canaletas para a coleta das alíquotas. Inicialmente procedeu-se a uma homogeneização dos dejetos armazenados nas
canaletas sendo retirada uma alíquota de cada canaleta para um recipiente com volume total de 20 litros.
Posteriormente, após nova mistura dos dejetos, transferiu-se uma amostra de um litro para frasco de plástico
específico. Após o seu condicionamento em caixa térmica de isopor com gelo, as amostras foram encaminhadas para
análise laboratorial. O número total de amostras coletadas nas granjas dependeu do tempo de alojamento dos suínos.
A primeira semana de coleta tenha sido desconsidera em todas as granjas por dificuldade no planejamento de
amostragem com o produtor devido ao dia de entrada dos suínos. As variáveis analisadas segundo o Standard
Methods foram: pH; sólidos (totais, fixos e voláteis); demanda química de oxigênio (DQO); nitrogênio total (NTK) e
nitrogênio amoniacal (N-NH4+); fósforo (P); potássio (K); cobre (Cu) e zinco (Zn).
Resultados
A Tabela 1 apresenta os resultados para o consumo de água e produção de dejetos dos suínos, independentemente do
tipo de bebedouro instalado e em função do tempo de alojamento dos animais nas granjas.
Tabela 1. Médias para o consumo de água e produção de dejetos em função do tempo de alojamento dos suínos.
n Média σ Mínimo Máximo
(L·suíno-1
·d-1
)
Consumo de Água
10 semanas 16 7.13 0.99 5.74 9.30
15 semanas 12 7.62 1.15 5.94 9.66
Produção de Dejeto
10 semanas 17 4.20 0.72 3.13 5.60
15 semanas 12 4.58 0.82 3.52 6.24
n – número de ciclos de produção; σ – desvio padrão.
5
Independentemente do tipo de bebedouro, o consumo médio de água dos suínos nas granjas mostrou-se, na sua
maioria, superior quando comparado com resultados de pesquisas realizadas em sala com ambiente controlado,
(Brumm et al., 2000; Li et al., 2005; Vermeer et al., 2009); em relação a granjas comerciais, os resultados exibiram-
se inferiores e/ou similares (Nagae et al., 2005; Ferreira et al., 2006, 2007; Gomes et al., 2009). O manejo diário do
produtor, o tipo de bebedouro e sua gestão (localização, ângulo; altura; número e vazão), o aumento do peso vivo dos
suínos e as condições ambientais internas e externas ao edifício de produção são alguns fatores que podem explicar
os resultados determinados em função do tempo de alojamento (Nienaber e Hahn, 1984; Brumm et al., 2000;
Oliveira, 2002a; Li et al., 2005; Babot et al., 2011).
A produção média de dejetos, independentemente do tipo de bebedouro instalado na granja, apresentou-se inferior
em comparação com a maioria das pesquisas publicadas para o Brasil (Oliveira, 1993, 2002b; Nagae et al., 2005;
Gomes et al., 2009); em relação às pesquisas realizadas no exterior, os resultados mostraram-se superiores, mas
coerentes (Brumm et al., 2000; Ferreira et al., 2006, 2007; Babot et al., 2011). Observando a evolução da produção
dos dejetos em função do tempo de alojamento dos suínos é possível verificar que exibe uma tendência semelhante
ao consumo de água dos animais e respetivo peso vivo (Oliveira, 1993, 2002b; Babot et al., 2011). O aumento dos
beirais nos telhados, o desvio das águas pluviais, a melhoria do manejo dos bebedouros associada à redução do seu
desperdício, bem como novas dietas e PLD são alguns fatores que evidenciam a redução do volume de dejetos
produzidos e, paralelamente, a sua variação ao longo do tempo de alojamento (Oliveira, 2002b; Ferreira et al., 2007;
Gomes et al., 2009; Babot et al., 2011).
A Tabela 2 exibe os valores do consumo médio de água e produção de dejetos dos suínos em função do tipo de
bebedouro e do tempo de alojamento. O número de ciclos de produção monitorados (n) variou por bebedouro e
tempo de alojamento considerado.
Tabela 2. Médias do consumo de água e produção de dejetos em função do tipo de bebedouro instalado na granja e
do tempo de alojamento dos suínos.
BB CH BO
Prob>F (L·suíno
-1·d
-1)
Consumo de Água
10 semanas1 7,71±0,61 6,43±0,70 7,14±0,67 0,394
15 semanas2 8,23±0,42 6,84±0,45 8,16±0,45 0,076
Produção de Dejeto
10 semanas3 4,80±0,19 a 3,88±0,22 b 3,68±0,22 b 0,003
15 semanas2 5,35±0,20 a 4,15±0,21 b 4,26±0,22 b 0,001
Médias seguidas de letras distintas na linha diferem significativamente pelo teste t (P≤0,05). 1 BB (n=6); CH (n=5); BO (n=5); 2 BB (n=6); CH (n=5); BO (n=5); 1 BB (n=7); CH (n=5); BO (n=5).
No período do experimento (abril a dezembro de 2011), as médias do consumo de água não apresentaram diferenças
significativas entre as granjas com os diferentes bebedouros instalados para o teste F com P≤0,05. Estes resultados
contrastaram dos observados em outras pesquisas, que indicaram o tipo de bebedouro como o principal motivo para a
variação no consumo de água dos suínos na fase de crescimento/terminação (Brumm et al., 2000; Oliveira, 2002a;
Babot et al., 2011). Dentre os bebedouros avaliados, o tipo CH apresentou os menores consumos de água,
apresentando ao final do tempo de alojamento, uma redução diária de aproximadamente 20% face aos demais (BB e
BO). Embora estes valores sejam coerentes com pesquisas já realizadas no Estado de Santa Catarina, quando
comparados com outros valores apresentados na literatura específica observa-se a sua discordância (Gill e Barber,
1990; Brooks, 1994; Brumm et al., 2000; Li et al., 2005; Ferreira et al., 2007; Babot et al., 2011). Os consumos
médios de água do bebedouro tipo CH apresentaram-se inferiores aos valores indicados por Gomes et al. (2009), no
entanto, superiores aos resultados obtidos em diversas pesquisas em sala com ambiente controlado (Brumm et al.,
2000; Li et al., 2005; Vermeer et al., 2009). Em relação ao bebedouro BO, os resultados exibiram-se superiores aos
6
apresentados por Palhares, Gava e Lima (2009). Pesquisas realizadas em ambiente controlado mostraram médias
inferiores para o consumo de água, variando de 25 a 55% (Brumm et al., 2000); em granjas comerciais de suínos na
fase de crescimento/terminação a o consumo foi aproximadamente 25% menor (Ferreira et al., 2006, 2007). Convém
referir que suínos com a mesma genética, quando sujeitos a condições ambientais e dietas alimentares similares
deveriam apresentar consumos médios de água próximos. Na ausência desse resultado, pode-se afirmar que as
diferenças observadas se devem ao desperdício do bebedouro associado ao seu manejo inadequado por parte do
produtor suinícola.
A produção média de dejetos apresentou para os tempos de alojamento considerados diferenças significativas entre
as granjas com bebedouro BB e as demais (CH e BO), para o teste com P≤0,05. Com exceção ao tempo de 10
semanas de alojamento, o resultado das granjas com bebedouro CH exibiu o menor volume de dejetos gerado. Em
oposição, as granjas com bebedouro BB mostraram os resultados mais elevados. Em relação ao bebedouro BO, as
médias apresentaram-se baixas quando comparadas e relacionadas com os resultados do bebedouro BB (razão entre a
produção de dejetos e o consumo de água). Da observação da Tabela 1 e Tabela 2, pode-se verificar que para um
consumo de água similar nas granjas com BB e BO, o volume de dejetos nas últimas foram inferiores (~25%). Os
resultados obtidos para o bebedouro BO contrariam, no entanto, as afirmações de alguns autores que indicam o tipo
de equipamento e respectivo consumo de água como o principal fator de variação do dejeto gerado (Oliveira, 2002a;
Babot et al., 2011). Abordando os resultados de modo mais específico, as granjas com bebedouro CH apresentaram
médias de dejetos produzidos similares e/ou inferiores às registradas em algumas pesquisas, tanto em salas com
ambiente controlado como em granjas comerciais de suínos (Brumm et al., 2000; Ferreira et al., 2006, 2007; Gomes
et al., 2009; Babot et al., 2011). Uma pesquisa desenvolvida em Espanha mostrou que para este tipo de bebedouro
observava-se uma redução de 4 a 12% no volume de dejetos produzidos. Em relação ao bebedouro BO, os resultados
obtidos neste experimento apresentaram valores inferiores comparados com outras pesquisas realizadas (Ferreira et
al., 2006, 2007; Babot et al., 2011).
A Tabela 3 exibe os valores médios obtidos, para as variáveis físico-químicas avaliadas, nas 15 granjas na fase
fisiológica de crescimento/terminação, considerando 15 semanas de alojamento dos suínos. Devido às dificuldades
de amostragem do dejeto na primeira semana de alojamento, estas amostras foram desconsideras.
Tabela 3. Caracterização físico-química dos dejetos, considerando 15 semanas de alojamento dos suínos.
Variável Unidade Média σ Mínimo Máximo
pH 7,80 0,33 7,26 8,21
ST (g·L-1
) 60,52 14,72 37,47 91,82
SV (g·L-1
) 45,73 11,73 27,93 71,54
DQO (g O2·L-1
) 79,60 14,92 59,70 111,27
NTK (g·L-1
) 5,69 0,98 4,37 7,22
N-NH4+ (g·L
-1) 3,48 0,56 2,76 4,50
P (g·L-1
) 1,19 0,29 0,80 1,84
Cu (mg·L-1
) 29,93 10,23 10,89 43,60
Zn (mg·L-1
) 56,77 12,48 44,79 89,94
σ – desvio padrão.
Os valores das variáveis determinadas, independentemente do tipo de bebedouro, mostraram-se, em geral, superiores
aos apresentados em outras pesquisas (Bonett e Monticelli, 1998; Gomes et al., 2009). No entanto, existem
resultados presentes na literatura que se apresentam concordantes, mas também superiores às concentrações
determinadas (Ferreira et al., 2006; Babot et al., 2011). A maioria das variáveis determinadas exibiu elevado desvio
padrão, ressaltando a variação observada e a heterogeneidade dos dejetos produzidos (Babot et al., 2011). A
concentração de sólidos e da DQO são dos principais indicadores da poluição que pode ser provocada pelos dejetos.
7
Tais valores apresentam, em geral, correlações diretas com os teores de material orgânico e dos principais nutrientes.
A determinação da concentração média de NTK e P presente nos dejetos é fundamental para o seu correto manejo na
granja, tendo em vista, tanto na valorização agronômica como o risco potencial de poluição e eutrofização dos
mananciais de água (Oliveira, 2004). Em geral, observou-se que 60% do NTK presente nos dejetos se apresentava na
forma de N-NH4+, tal como esperado para efluentes frescos de suínos. A Figura 2 apresenta os custos evitados na
construção das estruturas de armazenamento, considerando a diferença do valor de referência da FATMA e a
produção de dejetos determinada para cada tipo de bebedouro (15 semanas).
Figura 2. Custos evitados na construção das estruturas de armazenamento.
Os resultados obtidos exibem que comparando dois produtores suinícolas em ciclo de 15 semanas, ambos com 300
suínos, mas diferentes bebedouros (por exemplo, BB e CH, respectivamente), aquele que instalou equipamento CH
poderá, obter no final do lote de animais, um custo evitado de aproximadamente R$2000.00. No mesmo cenário, mas
com rebanho de 1500 suínos, o custo evitado ao final do lote poderá atingir os R$5700.00, o que demonstra a
importância do uso eficiente da água em granjas de suínos com vista à redução da produção de dejetos.
Conclusões
O consumo de água dos suínos (água ingerida + desperdício) e consequente produção de dejetos apresentaram uma
tendência crescente em função do tempo de alojamento. Independentemente do bebedouro, as médias do consumo de
água e do volume de dejetos foram 7.13 e 7.62 L·suíno-1
·d-1
e 4.20 e 4.58 L·suíno-1
·d-1
, respectivamente.
As médias do consumo de água não apresentaram diferenças significativas em função dos tempos de alojamento
monitorados para os bebedouros avaliados. Os bebedouros tipo chupeta apresentaram os consumos de água mais
baixos (6.43±0.67 e 6.84±0.45 L·suíno-1
·d-1
), exibindo diferenças de ~17% para 15 semanas de alojamento.
As médias de dejeto produzido apresentaram diferenças significativas nas granjas com bebedouros chupeta bite-ball
e as granjas com chupeta convencional e taça/concha horizontal. Embora em 10 semanas de alojamento as granjas
com bebedouro taça/concha tenham apresentado os valores mais baixos, no alojamento de 15 semanas as granjas
com chupeta exibiram as médias de produção mais baixas (4.15±0.21 L·suíno-1
·d-1
). As variáveis físico-químicas
analisadas mostraram elevada heterogeneidade, apresentando tendências crescentes nas concentrações médias
determinadas em função do tempo de alojamento.
Não obstante a evolução científica, técnica e tecnológica observada na suinocultura, os resultados obtidos para o
consumo de água e produção de dejetos persiste na necessidade de um rigoroso controlo ambiental por parte dos
produtores, técnicos e entidades associadas à produção. O cuidado na escolha do equipamento e o seu manejo
adequado pode diminuir significativamente o volume de dejetos produzidos e consequentemente os custos de
construção inerentes às estruturas de estocagem.
8
Agradecimentos
O desenvolvimento desta pesquisa contou com o apoio e a participação das seguintes entidades: Brasil Foods
(BRF), Associação das Indústrias de Carnes e Derivados de Santa Catarina (AINCADESC/SINDICARNE_SC),
Empresa Brasileira de Pesquisa Agropecuária, Suínos e Aves (EMBRAPA) e do Programa de Pós-Graduação em
Engenharia Ambiental da Universidade Federal de Santa Catarina (PPGEA/UFSC).
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1
OTIMIZAÇÃO DE APLICAÇÃO ROBOTIZADA EM UMA INDÚSTRIA
AUTOMOBILÍSTICA NO SUL DO BRASIL
OPTIMIZATION OF ROBOT APPLICATION IN AUTOMOBILE INDUSTRY
IN SOUTH BRAZIL
Leandro Wiemes 1*
Edilson Antonio Catapan 2
Robson Lazzarotto e Silva 2
Abstract The manufacturing processes have become increasingly optimized day by day. To make this possible, several actions
can be performed both from a technical and operational nature. The main applications of the technical realization of
kaizen are the most widespread. In this sense, improvement opportunities arise almost all the time and on
observations from operations by equipment and / or machinery, occur the development of ideas that minimize or
optimize the performance of one or more trajectories performed by robots. The main objective of this paper is to
apply the kaizen methodology in the production line to reduce the consumption of chemicals (sealing compound
applied to the vehicle), reducing losses occurring by excess product applied by robots that are arranged on the floor.
As a consequence of the work, reduce the amount of waste sent to coprocessor, in addition to shorten the robot
operating cycle, which facilitates the transfer of complex manual operations that are difficult to perform by the
operator, for robotic operation.
KeyWords: Optimization, continuous improvement, kaizen, environmental.
1 IEL – Instituto Euvaldo Lodi PR / Faculdades da Indústria e UFPR – Universidade Federal do Paraná. 2 IEL – Instituto Euvaldo Lodi PR / Faculdades da Indústria;
* Autor Responsável: Departamento: Cursos de Administração e Tecnológicos, IEL – Instituto Euvaldo Lodi – Faculdades da
Indústria, Av. Rui Barbosa, 5881 - Afonso Pena, São José dos Pinhais - PR, 83040-550, Brasil, eMail:
2
Resumo
Os processos de fabricação tem se tornado cada dia mais otimizados. Para que isso seja possível, várias atuações
podem ser realizadas, tanto de caráter técnico quanto operacional. Dentre as principais aplicações a técnica de
realização de kaizen é a mais difundida. Nesse sentido, oportunidades de melhorias surgem praticamente a todo o
momento e diante de observações de operações realizadas por equipamentos e/ou máquinas, ocorrem o
desenvolvimento de ideias que permitem minimizar ou aperfeiçoar uma ou mais trajetórias realizadas pelos robôs. O
objetivo principal deste trabalho é aplicar a metodologia do kaizen na linha de produção para diminuir o consumo de
produtos químicos (massa de vedação aplicada no veículo), reduzindo as perdas que ocorrem por excesso de produto
aplicado por robôs, e que ficam dispostos no chão. Como consequência do trabalho, reduz-se a quantidade de
resíduos enviado para coprocessamento, além de reduzir o tempo de ciclo da operação robotizada, o que facilita a
transferência de operações manuais complexas e de difícil realização pelo operador, para uma operação robotizada.
Palavras chave: Otimização, Melhoria Contínua, kaizen, Meio Ambiente
Introdução
A busca pela otimização dos processos industriais é uma constante para o gerenciamento e organização da produção.
Essa busca incessante por menores tempos de fabricação, utilização racional de recursos (sejam eles humanos,
fluídos ou mecânicos) e redução das perdas de material e/ou erros operacionais, traduz-se no desenvolvimento de
técnicas cada vez mais apuradas de controle, entre as quais pode ser citada a técnica kaizen. Tal técnica apresenta
excelentes resultados, sendo bem difundida e muito bem aceita no meio industrial. Pode-se dizer que as
oportunidades de melhoria estão latentes, esperando serem descobertas e, através da simples observações
sistemáticas de operações realizadas por pessoas e/ou máquinas, é possível identificar o surgimento e o
desenvolvimento de ideias que permitem proporcionar ganhos significativos em todo o processo produtivo.
Contextualizando sobre o processo de operação, a aplicação de material a base de PVC é realizada por sistema
automático (robô) que realiza as operações conforme estabelecido na sua trajetória. As operações consistem na
deposição de massa de vedação entre a junção de chapas, que irá desempenhar a função de estanqueidade, evitando
assim a entrada de ar, poeira e água no interior do habitáculo do veículo. O processo está submetido a algumas
variáveis, as quais podem ser controladas/monitoradas em função dos dispositivos disponíveis na versão a qual o
robô foi adquirido, como por exemplo, a temperatura do produto, a pressão de aplicação de produto, a distância de
aplicação do produto em relação a junção de chapa, entre outros.
As operações de aplicação de massa vedante devem contemplar as necessidades estabelecidas na concepção do
veículo e devem representar o justo necessário, de forma a garantir as funções as quais foram solicitadas, mas
também respeitar outras condições que são essenciais ao processo de fabricação. Portanto, algumas condições devem
ser observadas no dia a dia do processo de fabricação, e que serão discutidas mais adiante no trabalho.
Este artigo descreve a realização de uma atividade de otimização de uma automação industrial realizada em uma
linha de robôs, os quais foram programados com uma trajetória realizada em uma única carroçaria e em condições de
funcionamento que não representavam o cotidiano da linha de operação. Como a trajetória dos robôs foi construída
com base em uma carroceria, e normalmente a linha de produção ainda não está à plena cadência de funcionamento,
existe a possibilidade de identificação de situações que permitem minimizar o consumo do material. Contudo, essa
constatação não é simples e direta e depende de uma análise detalhada da trajetória que foi feita para a linha de
produção em análise.
A linha de fabricação em que a atividade foi concentrada apresenta ao total dez robôs que realizam diferentes
aplicações de material selante a base de PVC em três modelos de veículos.
Uma ferramenta muito utilizada no dia a dia das indústrias é o kaizen, que consiste no processo de aprimoramento
contínuo, ou na busca de melhorias pela inovação dos processos produtivos, dos métodos, dos produtos, das regras e
dos procedimentos. Assim sendo, o kaizen procura eliminar todos os problemas de uma organização através da
3
identificação dos potenciais de melhoria, o que é possibilitado pela participação de todos os colaboradores na
resolução dos problemas (COSTA JUNIOR, 2008).
Barbieri (2007) apresenta que o uso sustentável de recursos e o controle da poluição são preocupações básicas. Os
instrumentos típicos para o uso sustentável dos recursos podem ser sintetizados pelas atividades conhecidas como
4Rs: redução da poluição na fonte, reuso, reciclagem e recuperação energética, seguindo essa ordem de prioridade,
Vasconcellos (2005) comenta que a paralisia de paradigma pode conduzir a não ver as oportunidades positivas que se
encontram à nossa volta. Para reconhecê-las e usufruir delas, é necessário ser flexível e disposto a visões diferentes
daquelas a que se está acostumado.
As técnicas de intervenção e de mudança organizacional suaves e contínuas – como a melhoria contínua (kaizen) e a
qualidade total – estão centradas na atividade em grupo das pessoas e visam basicamente à qualidade dos produtos e
serviços dentro de programas de longo prazo, que privilegiam a melhoria gradativa e passo a passo por meio da
intensiva participação e colaboração das pessoas (CHIAVENATO, 2008).
O processo de aplicação de massas vedantes apresenta certas variáveis que, conforme apresenta Paranhos Filho
(2007) atuam de forma isolada ou interagindo em conjunto, e o resultado oriundo desse sistema será eficiente e
preciso, nos termos de suas especificações, desde que cada uma dessas variáveis esteja sob controle.
Em adição, este processo está considerado sob o conceito de cadeia de valor, que reforça o vínculo entre processos e
seu desempenho, e que podem apresentar impactos tanto nos processos internos de uma empresa como também nos
de seus clientes e/ou fornecedores (WIEMES, et al, 2014).
Metodologia
Conforme comenta Barros e Lehfeld (2007) e Cervo et al. (2007), a identificação da oportunidade de trabalho foi
realizada através de observação sistemática, considerando uma análise estruturada e sob condições controladas. Para
a realização do estudo, foi observada e delimitada uma área específica de atuação, mais especificamente o processo
produtivo de de aplicação de dez robôs na linha de aplicação de massa vedante. A observação realizada apresentou
como responsáveis os autores do respectivo trabalho, pois foram considerados aptos para a observação e obtenção
dos dados com imparcialidade, em consonância com o que apresentam Cervo et al. (2007).
No intuito de estabelecer uma metodologia para o desenvolvimento das atividades, foi utilizada uma abordagem
sistemática da análise do processo a qual pode ser apresentada nas seguintes etapas: (1) identificar a oportunidade,
(2) definir o escopo, (3) documentar o processo, (4) avaliar o desempenho, (5) projetar novamente o processo e (6)
implementar as mudanças. Determinar a melhor capacidade de processo com eficaz administração das restrições,
projetar o layout apropriado das atividades do processo e tornar os processos “enxutos” (lean), eliminando atividades
que não agregam valor, e ao mesmo tempo, melhorar as que agregam valor, são decisões vitais na redefinição de
processo. (KRAJEWSKI et al., 2009).
As principais ferramentas aplicadas no desenvolvimento das atividades consistiram da definição de um grupo de
trabalho para avaliar o processo produtivo. A partir desta análise, propor um estudo de caso identificando as
principais situações de melhoria (aplicação da técnica do brainstorming – tempestade de ideias), seguido da
compilação das mesmas em Diagrama de Ishikawa (também conhecida como espinha de peixe). As ações foram
então priorizadas e estabelecido plano de ação, com definição de prazos e responsáveis pela sua execução. Estas
ferramentas, conforme sugere Campos (1992), foram aplicadas no intuito de servir como elementos de apoio na
estruturação e implantação das ações definidas, permitindo o melhor acompanhamento e mensuração dos resultados
obtidos no transcorrer do estudo.
Como etapa final do processo de implantação da melhoria, a padronização do processo é de suma importância, de
modo a assegurar as operações considerando as condições estabelecidas após as modificações. Conforme o
apresentado por Wiemes e Balbinotti (2009), o que se pretende com a padronização dos processos é que as atividades
4
a serem realizadas, sejam feitas da melhor forma possível. Pela aplicação da padronização e controlando-a no dia-a-
dia, é possível registrar menores perdas provenientes de retrabalhos e até mesmo sucateamento de componentes e/ou
produtos, contribuindo de maneira significativa para incremento no resultado financeiro da organização.
Materiais e Métodos
O desenvolvimento do trabalho ocorreu pela formação do grupo de trabalho que contou com integrantes das áreas de
Engenharia de Processo, Manutenção, Supervisor de Fabricação e Áreas Suportes (Automação Industrial). No início
da semana 42 de 2013, o grupo de trabalho se reuniu para realizar um brainstorming sobre os principais problemas
identificados no módulo de trabalho de aplicação de massa de vedação, mais especificamente nos robôs de aplicação
do respectivo produto.
A situação problema estava no excesso de material que se depositava no piso após a aplicação de massas vedante
realizada pelos robôs.
Para auxiliar na compreensão dos itens discutidos no grupo de trabalho, segue abaixo na Tabela 1 os principais
elementos que foram obtidos consenso do grupo de trabalho para serem expostos em função das situações que foram
identificadas. Cada uma das ações foi avaliada quanto a sua pertinência e coerência ao tema tratado, e foi realizada
de modo independente, fazendo com que não houvesse sobreposição de atividades, nem de eventuais dados coletados
durante essa fase do projeto.
Resultados
A avaliação da situação existente se deu por meio de observação nos diferentes postos de trabalho do local de estudo
os quais foram devidamente sinalizados. Em seguida foi realizada a mensuração de consumo de massas vedantes que
eram aplicadas por cada veículo. Essa informação foi obtida diretamente no sistema instalado no software do sistema
de monitoramento dos robôs.
Tabela 1. Plano de ação otimização para o processo de aplicação de massas vedantes
O QUE COMO ONDE QUEM QUANDO
Avaliar e mensurar a
situação existente nas
células de produção
robotizadas
Identificar pontos de
acúmulo/falta de massa de
vedação e medir (via painel
geral) o consumo das operações
realizadas em cada robô
Célula de
produção
robotizada
Saulo S42
Mapear os pontos da
carroçaria identificados no
item anterior de modo que
possam ser modificados
Construir um diagrama
representativo de cada veículo e
fazer as anotações nos pontos
críticos, identificando a ação a
ser tomada pontualmente.
Célula de
produção
robotizada
William S43
Realizar as modificações
de trajetórias dos pontos
identificados/mapeados
Identificar as linhas de
programação de cada robô
identificado no mapeamento.
Em cada robô
que for
identificado
necessidade de
modificação
Edson S44
5
Validar a proposta de
adequação de trajetórias
de robôs
Fazer a modificação na linha de
programação correspondente e
realizar a aplicação de produto
no veículo.
Em cada robô
que ocorreu
modificação da
trajetória
Edilson S45
Registrar modificação em
livro de ocorrências da
célula de produção, para
informar ação realizada
aos demais robotistas.
Descrever a ação realizada
informando a linha de
programação modificada e o
robô impactado pela
modificação.
Em cada robô
que ocorreu
modificação da
trajetória
Robson S45
Avaliar eventual redução
de consumo em função da
modificação realizada na
trajetória.
Medir (via painel geral) o
consumo das operações
realizadas em cada robô que foi
realizada modificação de
trajetória
Painel de
comando geral
dos robôs
Leandro S46
Fonte: Os autores
No desenvolver da principal ação – Realizar as modificações de trajetórias – foram utilizadas as informações
coletadas anteriormente e com base na definição foram corrigidas as respectivas operações. Em alguns casos, a
aplicação da quantidade de massa vedante foi diminuída, fazendo com que a velocidade de aplicação aumentasse.
Para os casos de falta de cobertura do material na junção de chapas, houve direcionamento dos bicos de injeção, e
para os casos em que também havia a condição de aplicação de massas vedantes em excesso, foi modificada a
inclinação do bico ou aumentada sua distância em relação a carroceria. Tal modificação foi considerada como uma
das mais importantes, pois aplicando-a com sucesso, foi possível obter um ganho considerável, reduzindo-se a
aplicação de massa vedante em até 1 kg de produtos/unidade produzida.
No intuito de obter a validação do processo em relação à adequação de aplicação de massas vedantes, o fluxo
produtivo da área em análise permaneceu por mais 5 dias úteis e seguidos em regime de produção, porém com
atenção redobrada a eventuais situações não previstas nas modificações realizadas.
As modificações realizadas foram todas registradas em livro de ocorrências da célula de trabalho, no intuito de
alertar os demais colaboradores, que atuam com os robôs, sobre os ajustes dos parâmetros de programação.
Por fim, foi realizada a avaliação final que consistiu em mensurar os ganhos obtidos frente aos existentes no início
do projeto. Dessa forma, o resultado obtido foi a redução da ordem de 1 kg de massa vedante por veículo produzido,
o que é considerado como um valor bastante significativo, principalmente se considerado o volume de produção de
50 veículos por hora.
Além do impacto econômico a minimização da geração de resíduos contribui para redução na quantidade de material
enviado para coprocessamento, atribuindo um caráter ambiental para a organização. Dessa forma, o segundo
resultado obtido na realização da atividade foi a redução na frequência de limpeza das células de trabalho
robotizadas, passando de 1 vez por dia para 1 vez a cada 5 dias de produção. Isso permite deslocar o pessoal que
realiza a atividade de limpeza para desempenhar outra atividade, reduzindo a carga de trabalho com esse tipo de
material (classificado como resíduo perigoso). Além disso, a geração de resíduos nessa área de trabalho reduziu
proporcionalmente, contribuindo para a não necessidade de destinação para incineração de aproximadamente 1
tonelada de resíduo por dia, ao custo de aproximadamente R$ 300/t.
Conclusões
Por meio da execução das atividades propostas na realização desse trabalho, foi identificado que as ações devem
ocorrer em conjunto com as principais áreas envolvidas na atividade. Dessa forma há menor possibilidade de
insucesso da atividade programada.
6
A assertividade na execução da ação, o comprometimento do pessoal da área fabril e a facilidade de implantação da
modificação, no prazo previsto, também pode ser considerada como elemento importante na realização da atividade.
Os autores do trabalho também consideram que os resultados obtidos foram surpreendentes em termos de quantidade
de material economizado, contribuindo assim para a manutenção da produção com um consumo sustentável.
Também é de significativa importância o fato que a redução nos desperdícios e a limpeza do ambiente de trabalho
proporcionam impactos ambientais que podem ser ditos significativos ao meio ambiente.
Assim sendo, a otimização realizada na célula de robôs da aplicação de massas vedantes permitiu o aumento da
competência dos colaboradores na área de estudo.
Agradecimentos. – Ao SENAI-PR pelo apoio financeiro para divulgação do trabalho realizado e
ao IEL - Faculdades da Indústria.
Referências Bibliográficas
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Barbieri, J. C. (2007) Gestão Ambiental Empresarial: conceitos, modelos e instrumentos, 2ª edição, Editora Saraiva, São Paulo.
Campos, V. F. (1992) TQC: Controle da Qualidade Total (no estilo japonês), 3ª Ed., Belo Horizonte, MG.
Chiavenato, I. (2008) Os novos paradigmas: como as mudanças estão mexendo com as empresas, 5. ed. rev. e atual. – Barueri, SP:
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Cervo, A. L.; Bervian, P. A.; Silva, R. (2007) Metodologia científica, 6ª Edição, São Paulo, Pearson Prentice Hall.
Costa Junior, E. L. (2008) Gestão em processos produtivos, Curitiba: Ibpex.
Krajewski, L. J.; Ritzman, L.; Malhotra, M. (2009) Administração de produção e operações, 8ª Edição, São Paulo, Pearson
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Paranhos Filho, M. (2007) Gestão da produção industrial, Curitiba, IBPEX.
Vasconcellos, M. J. E. de, (2005) O Novo Paradigma da Ciência, Campinas, SP, Editora Papirus, 4ª edição.
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prática, Artigo Técnico apresentado no V EMEPRO – Encontro Mineiro de Engenharia de Produção.
Wiemes, L., Back, C. V. e Silva, R. L., Recuperação e Otimização do Processo de Aplicação de Cera na Indústria
Automobilística, 3º CONEPRO-SUL – Congresso de Engenharia de Produção da Região Sul, Joinville, 2014.
IMPACTO ADVINDO DA IMPLANTAÇÃO DO PROGRAMA MINAS
SUSTENTÁVEL NAS INDÚSTRIAS MINEIRAS: O CASO DO MUNICÍPIO DE
CONTAGEM
IMPACT FROM THE IMPLEMENTATION OF MINAS SUSTENTÁVEL PROGRAM IN
MINAS GERAIS INDUSTRIES: THE CASE OF THE MUNICIPALITY OF CONTAGEM.
Cibele de Araújo Magalhães 1
Joel Dias da Silva 2*
Abstract This paper highlights the main opportunities and benefits, identified by some companies from the action on
sustainability as well as after the inference of the Minas sustainable Program - PMS created and developed by
the Federation of Industries of Minas Gerais FIEMG in 2010. This program has helped industries in the pursuit
of environmental regulation, eco-efficiency and social responsibility, providing thus an analysis of the changing
scenario in the Mina’s industries and its impacts with the implementation of a program of environmental
sustainability, the object of study in this dissertation. Its main purpose is to measure changes in environmental
settings of the Minas industry in the Count of Contagem after accession to this tool that aims to sustainability.
The methodological approach employed involved the collection of data from a questionnaire prepared by the
program and applied the 380 participating industries in the Count of Contagem. This analysis demonstrated that
the practice of sustainability can meet the objectives of economic, social and environmental benefits. The
dissertation proved that sustainability is not only an accessory, but a key to the business strategy of the industry.
The study has shown that sustainability is not only an accessory, but a key to the business strategy of the
industry. It is a culture, and an attitude. To achieve sustainability we must work the education, opening the ways
for a fairer society with innovation, introducing technology with efficiency, competitiveness and value creation.
The studies Concludes with considerations about the future prospects of the industry and sustainability
improvements and records as well as changes in the behavior of employers and employees in seeking
information, knowledge and predisposition to lifestyle changes.
. Keywords: Sustainable Development. Environmental Responsability. Ecoefficience. Legal Compliance.
1 UFSC – Universidade Federal de Santa Catarina. 2* FURB – Universidade Regional de Blumenau. SENAI Blumenau.
* Autor corresponsal: Departamento de Engenharia de Produção e Design, FURB Universidade Regional de Blumenau. Rua
São Paulo, 3250 Itoupava Seca, Blumenau, Santa Catarina. CEP: 89.030-000. Brasil. Email: [email protected]
2
Resumo
Esta trabalho destaca as oportunidades e benefícios principais, identificados por algumas empresas, a partir da ação
relacionada à sustentabilidade como também após a inferência da ferramenta Programa Minas Sustentável – PMS
criado e desenvolvido pela Federação das Indústrias de Minas Gerais – FIEMG no ano de 2010. Este Programa tem
auxiliado as indústrias na busca da regularização ambiental, ecoeficiência e responsabilidade social,
proporcionando, desta forma, uma analise da mudança de cenário nas indústrias mineiras e seus impactos com a
implantação de um programa de sustentabilidade socioambiental, objeto de estudo nesta dissertação. Seu principal
objetivo é o de mensurar as mudanças de cenários ambientais da indústria mineira no Município de Contagem após
a adesão a esta ferramenta que visa à sustentabilidade. A abordagem metodológica empregada contou com a coleta
de dados de um questionário elaborado pelo programa e aplicado as 380 indústrias participantes do Município de
Contagem. Esta analise demonstrou que a prática da sustentabilidade pode atender aos objetivos de benefícios
econômicos, sociais e ambientais. Percebeu-se que sustentabilidade não é somente um acessório, mas peça
fundamental para a estratégia de negócios da indústria. É uma cultura, uma atitude. E, para alcançar a
sustentabilidade é preciso trabalhar a educação, abrindo caminhos para uma sociedade mais justa; a inovação,
introduzindo tecnologia; negócio com eficiência, competitividade e criação de valor. Finaliza com algumas
considerações das perspectivas futuras da relação indústria e sustentabilidade e registra melhorias como também
mudanças no comportamento dos empresários e colaboradores na busca de informações, conhecimentos e pré-
disposição para mudanças de hábito.
Palavras-chave: Desenvolvimento Sustentável. Responsabilidade Sócioambiental. Ecoeficiência. Conformidade Legal.
Introdução
A preocupação com o desenvolvimento sustentável entrou definitivamente na agenda dos líderes empresariais. O
empenho das organizações em refletir sua postura ética com a sociedade por meio da incorporação de ações de
responsabilidade socioambiental e do fortalecimento das suas práticas de governança corporativa tende a
transformar a maneira de se fazer negócios. As empresas que compreenderem hoje a importância dos conceitos e
valores da sustentabilidade terão certamente condições mais concretas de se manterem vivas e saudáveis ao longo
deste século.
O Município de Contagem foi escolhido por ter vivido uma expansão urbana desordenada, principalmente por
contaminação de cursos d’água por efluentes sanitários sem tratamento e por resíduos sólidos industriais, como
também inexistência de instrumentos para avaliação de impactos ambientais e um grande passivo nos processos de
licenciamento ambiental. Além desta importância histórica e econômica, muitas empresas estabelecidas na região
mantiveram-se no modelo familiar e houve pouca modernização industrial. A região, portanto, mostrava-se
potencialmente rica em oportunidades para adequações em diversas áreas, desde a regularização do licenciamento
ambiental até melhorias em ecoeficiência.
É nesse cenário que a Federação das Indústrias de Minas Gerais (FIEMG), por meio do Centro Industrial e
Empresarial de Minas Gerais (CIEMG) e Serviço Social da Indústria (SESI), lançou o Programa Minas Sustentável
(PMS) visando estabelecer para o setor industrial mineiro, a excelência na sustentabilidade socioambiental, como
fator essencial de competitividade. E promoveu um acordo de parcerias com o objetivo de fortalecer ainda mais a
Secretaria de Meio Ambiente de Contagem (SEMA) e melhorar os índices de licenças ambientais concedidas
promovendo a sustentabilidade do município através da regularização ambiental, por meio de um convênio
estruturado e respaldado por instrumentos jurídicos que se caracterizaram como de extrema importância para o novo
arranjo em que a SEMA estava vivenciando. O primeiro convênio foi firmado em 04 de Fevereiro de 2011 entre a
Secretaria de Meio Ambiente e o Programa Minas Sustentável, de iniciativa da FIEMG, através do CIEMG.
O Programa Minas Sustentável firmou tal parceria objetivando dar celeridade ao número de processos de
licenciamento ambiental parados no município, e como consequência mais indústrias do PMS ficariam em plena
3
conformidade legal. Os benefícios constantes dessa parceria proporcionaram diversas vantagens para o andamento
dos serviços ofertados pela secretaria, uma vez que trouxe soluções para as deficiências estruturais e de mão de obra
existentes.
O presente trabalho teve como objetivo principal analisar as mudanças de cenários na indústria mineira de
Contagem após a utilização desta ferramenta, o PMS no que diz respeito ao licenciamento, ecoeficiência e cursos de
capacitação, visando o desenvolvimento sustentável.
Material e métodos
A metodologia de pesquisa empregada foi através da coleta de dados através de um questionário aplicado às 380
indústrias do Município de Contagem que participaram do PMS. Realizou-se uma grande mobilização motivando
os empresários a responderem a um questionário com informações técnicas de cada indústria referente à parte de
Regularização Ambiental, Ecoeficiência (energia, água, resíduos, ruídos, emissões), e responsabilidade social na
Empresa. Preliminarmente, verificou-se, através deste questionário que grande parte destas empresas não possuía
um técnico responsável pela área de meio ambiente e ainda não praticavam quaisquer ações de gestão ambiental.
A partir deste diagnóstico então, foram detectadas as oportunidades de melhorias nas respectivas indústrias e a
necessidade de apoiar e orientar na regularização ambiental. Os empresários foram convidados para participar em
cursos de capacitação em regularização ambiental, gestão de resíduos e água, gestão de emissões e energia,
licenciamento e gestão ambiental e responsabilidade social.
Resultados
Na coleta de dados observou-se que a maioria das empresas de Contagem é de base familiar e trabalha com
tecnologias obsoletas, apresentando a necessidade de motivá-las, orienta-las e acompanha-las numa gestão
inovadora na trilha da sustentabilidade. Enxergando as oportunidades sustentáveis que poderiam agregar valor ao
negócio, o PMS também orientou o empresário a como aplicá-las. A orientação passou pela mobilização tecnológica
dos métodos de gestão e produção, com racionalização de tempo, espaço e materiais, com a preocupação em atender
as comunidades locais e valorizar os recursos naturais e culturais.
Criado pelo Sistema FIEMG, e realizado pelo SESI e pelo CIEMG, a iniciativa já beneficiou mais de 700 indústrias
nos municípios de Contagem, cidade de pesquisa desta dissertação, além de Betim e Ipatinga na região Vale do Aço.
Estruturado em cinco grandes pilares: Ecoconformidade legal e normativa; Ecoeficiência; Econegócio e
Sociocapacidade – o PMS contribui diretamente para o desenvolvimento socioambiental das indústrias mineiras,
auxiliando-as nos processos de adequação de suas práticas à legislação ambiental vigente. Além disso, disponibiliza
soluções capazes de otimizar a utilização de energia, água e resíduos pela indústria, e oferece capacitações em
regularização ambiental, gestão de resíduos e água, gestão de emissões e energia, licenciamento e gestão ambiental e
responsabilidade social.
Ao aderir ao Programa Minas Sustentável, a empresa passa a fazer parte da rede virtual de relacionamento,
conhecimento e a ter acesso às informações sobre linhas de financiamento, fomento e desenvolvimento empresarial
em sustentabilidade. A rede oferece ainda informações sobre o arcabouço legal e normativo em meio ambiente e
responsabilidade social, além de acesso aos fornecedores de serviços qualificados, participação na Bolsa de
Resíduos e Programa de simbiose a nível nacional e internacional. O Programa Minas Sustentável visa capacitar os
empresários para o aperfeiçoamento dos seus processos industriais, buscando uma maior eficiência na utilização da
água, da energia e das matérias-primas, minimizando a produção de resíduos, a emissão e lançamento de efluentes.
4
O monitoramento do PMS é feito pelo acompanhamento sistematizado das empresas por 3 (três) anos, pela
Secretaria Executiva do PMS. Espera-se que, após esse período, as empresas estejam preparadas para desenvolver
seus negócios alinhados com os conceitos da sustentabilidade, agindo corretamente nos aspectos ambiental e social,
e inovando para o desenvolvimento de uma indústria mais competitiva.
Em Abril de 2010 o PMS foi lançado na cidade de Contagem, onde atendeu 380 indústrias, desenvolvendo seus
respectivos diagnósticos socioambientais e avançando no licenciamento ambiental das indústrias. Manteve-se
estreita articulação junto à Secretaria Municipal de Meio Ambiente de Contagem com o intuito de motivar, orientar
e apoiar os empresários na obtenção de suas licenças ambientais. Em Março de 2011 o PMS foi lançado na cidade
de Betim, onde atendeu cerca de 360 empresas. Estendeu-se também para outros municípios da Região
Metropolitana: Ibirité, São Joaquim de Bicas, Igarapé e Sarzedo.
Em 2012 PMS disponibilizou o inventário das indústrias (questionário) em plataforma WEB, que associado a um
simulador, possibilitou fazer automaticamente o diagnóstico. Procedimento que trouxe uma maior agilidade nas
inter-relações entre o Programa e as empresas. Com esta tecnologia as empresas passaram a contar com a facilidade
de poder lançar suas informações no questionário via internet e, à medida que preenchem os módulos, já obtém
como resposta os seus respectivos diagnósticos socioambientais. Ainda em março do mesmo ano, o PMS foi lançado
na Regional Vale do Aço, importante região industrial do Estado, abrangendo 72 municípios, e em 2013 e 2014 o
programa alcançará todo o Estado de Minas Gerais, iniciando sua interiorização no Triângulo Mineiro em abril de
2013.
É importante salientar que o PMS é um programa permanente, pois deverá periodicamente propor melhorias,
conferir legitimidade, responsabilidade e seriedade na sua execução. Como também é necessário entender as
dificuldades de uma indústria na aquisição de habilidades para gerenciar suas atividades, de modo a garantir uma
gestão simultânea de suas finanças e da qualidade, alcançar suas metas reduzindo seus impactos ambientais e
conservando os recursos naturais. O desafio para atingir a ecoeficiência é grande, qualquer que seja a tecnologia de
gestão da produção adotada, a indústria deverá caminhar no sentido de introduzir estratégias, escolher tecnologias
adequadas ao processo produtivo, caracterizar e classificar os indicadores econômicos, ambientais e sociais.
Percebe-se claramente a morosidade do processo. Com a implantação do PMS é esperado que as indústrias mineiras
pudessem atender aos requisitos para melhoria do desempenho ambiental e, consequentemente sua competitividade;
Avaliando o seu modelo de gestão com base em uma visão sistêmica, abrangente, moderna e promotora do real
desenvolvimento sustentável; medindo e identificando onde melhorar as suas práticas de gestão ambiental;
integrando as necessidades de todas as partes interessadas no seu sucesso; identificando seus pontos fortes e os
reforçando; reposicionando no mercado competitivo; buscando eficácia nas ações para a ecoeficiência; promovendo
a cooperação entre pessoas, equipes de trabalho interagindo com os diversos processos organizacionais; e por fim,
utilizando práticas de gestão fomentadoras da sustentabilidade. (Serviço Social da Indústria DR MG – Belo
Horizonte: FIEMG/2011)
Das 1500 empresas, 380 (25,5%) responderam ao questionário e aderiram ao PMS, todas elas foram convidadas a
participarem das capacitações visando melhorias em seus processos produtivos. Aquelas que ainda não possuíam
regularização ambiental foram orientadas e licenciadas com a ajuda do PMS (Tabela 1). E ainda supreendentemente
ocorreram uma grande demanda ao órgão licenciador de Contagem (SEMA) para regularização ambiental, o que foi
considerado pelo PMS como apoio indireto, solucionando um grande passivo existente.
Das 380 empresas diagnosticadas, 298 foram orientadas para o licenciamento e 59 licenciadas com o apoio do PMS
no ano de 2011. Podemos concluir que é um número significativo considerando a morosidade do processo de
licenciamento. O programa é perene, as orientações continuam e os resultados crescendo. Quanto aos
licenciamentos ambientais no município de Contagem, podemos observar no gráfico representado na figura 12 o
crescimento das licenças concedidas no ano de 2011 após a implantação do PMS na região de Contagem. No ano de
2011 houve um aumento de 48% nas emissões de licenças, quando comparado com a média entre os anos de 2006 a
5
2010. Percebe-se que os resultados obtidos ao final do ano de 2011 demonstraram um grande avanço com relação às
emissões de licenças ambientais.
Conclusões
Na prática, o desenvolvimento sustentável é uma estratégia eficaz que reúne os anseios e capacidades de governo,
setor privado e sociedade para criar uma visão de futuro, trabalhando estratégica e progressivamente seus objetivos,
pois, somente com esta visão será possível encontrar formas de conscientizar os cidadãos para que os mesmos
entendam que os recursos naturais são finitos e devem ser utilizados de maneira consciente. Cada ser humano deve
fazer a sua parte com consciência e com simples ações corretas dia-a-dia e isso é urgente.
Pelo motivo de ser um processo moroso, de conscientização, conhecimento e principalmente mudança de
comportamento os resultados são em longo prazo. É de extrema importância apoios das instituições, percebe-se que,
com a implementação desta ferramenta - o PMS, as quais as ações iniciaram efetivamente em 2012, já registrou
melhorias como também mudanças no comportamento do empresário e funcionários na busca de informações,
conhecimentos e pré-disposição para mudanças de hábito. É preciso uma mudança profunda, transformando a
sustentabilidade em uma agenda positiva, não se podem deixar as pessoas assustadas com as mudanças, torna-se
necessário uma reestruturação de novas oportunidades, fixando-as em um eixo de ideias e valores que vão
diretamente ao encontro da vontade das pessoas por uma qualidade de vida superior. É necessário focar
sustentabilidade como prioridade na agenda mundial de negócios.
Atualmente, diversas organizações têm desenvolvido projetos sustentáveis na expectativa de minimizar os impactos
causados no ambiente através da extração dos recursos naturais, mas a falta de envolvimento e integração da
sociedade de um modo geral faz com que estas ações não se concretizem. Isso se dá, devido à resistência das
pessoas em aceitar quebras de paradigmas. Isso desestimula as organizações, uma vez que é notável o fato de que a
sociedade ainda não tem dado o devido valor a estas iniciativas.
Referências
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FEDERAÇÃO DAS INDÚSTRIAS DO ESTADO DE MINAS GERAIS. Manual do Programa Minas Sustentável. Federação
das Indústrias do Estado de Minas Gerais. Serviço Social da Indústria DR MG. Belo Horizonte: FIEMG / SESI DR
MG. 2011.
1
LOS PRODUCTOS VERDES: UNA ALTERNATIVA PARA LA PRODUCCION Y
CONSUMO SUSTENTABLE.
GREEN PRODUCTS: AN ALTERNATIVE FOR A SUSTAINABLE PRODUCTION AND
CONSUMPTION.
María Concepción Martínez Rodríguez. 1
José Alfredo Soriano Ortiz. *
Abstract The big Scientifics and technological changes that we’ve lived as a society had improved in a positive way our life
creating benefactors that satisfice our needs in a way we never believed to achieved, provoking an enjoyable living
stile. However the inherent advantages to this benefactors that it has developed hasn’t bring it self only positive
aspects, the accelerated and demanding living style has provoked the changed of consumer habits, all this addition
to the population growth that we’ve had, gives us as a result the constant increase in demand of products that for
their complexity in the process of elaboration requests a big quantity of resources. Due to the growth of this
problematic the request of resources has been generated negative impacts in the nature, society and also affecting to
the economy. The sustainable consumption and production (SCP) appear to give a solution to this irrational
consume behavior. To achieve the SCP has come out the renewable energies, production process more efficient and
new respectable products with the environment, the green products or eco-products.
KeyWords: Eco-product, Green Economy, Social Exclusion, Sustainability, Sustainable Products.
1 Departamento de Sociedad y Políticas Públicas. Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios Sobre Medio Ambiente
y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional. * Autor corresponsal: Departamento de Sociedad y Políticas Públicas. Centro Interdisciplinario de Investigaciones y Estudios
Sobre Medio Ambiente y Desarrollo, Instituto Politécnico Nacional. Calle 30 de Junio de 1520, Barrio la Laguna Ticomán, Del.
Gustavo A. Madero, C.P.07340, México D.F., México. Tel. +52- 5557296000 Ext. 52735 Email:
2
Resumen
La gran cantidad que cambios científicos y tecnológicos que hemos vivido como sociedad han impactado de forma
positiva a nuestra vida creándose benefactores que satisfacen nuestras necesidades de una forma que nunca creímos
que se lograrían, provocando así que tengamos un estilo de vida más placentera. Sin embargo las ventajas inherentes
a estos benefactores que se han desarrollado no han traído consigo sólo aspectos positivos, sino que el estilo de vida
más acelerada y demandante ha provocado que los hábitos de consumo cambien, esto aunado a el incremento
poblacional que hemos tenido dan como resultado que se demanden cada vez más productos que por su complejidad
en su momento de elaboración demandan una gran cantidad de recursos. Es debido a esta problemática de aumento
de demanda de recursos que se han generado impactos negativos en la naturaleza, en la sociedad y repercutiendo
también en la economía. La producción y consumo sustentable (PCS) surgió para darle solución a este
comportamiento de consumo irracional. Para que se lleve a cabo la PCS han surgido las energías renovables,
procesos de producción más eficientes y nuevos productos más respetables con el medio ambiente los productos
verdes o eco-productos.
Palabras clave: Eco-producto, Economía verde, Exclusión social, Productos sustentables y Sustentabilidad.
Introducción.
El nuevo sistema depredador que antepone el crecimiento económico sobre la naturaleza ha traído consigo varios
cambios que impactan de una manera desfavorable al ambiente, lo cual no sólo podemos apreciar de forma notoria
hoy en día, sino que la consecuencia de estos cambios son acumulativos e impactarán a las siguientes generaciones.
Es debido a lo anterior y como resultado del consumo vehemente de artículos que hoy en día nosotros adquirimos,
que hemos sido testigos de una ardua búsqueda para darle solución a estas nuevas prácticas de consumo
irresponsable.
En el presente gobierno de Peña Nieto se ha desarrollado un programa especial de producción y consumo
sustentable, el cual fomenta el cuidado al medio ambiente, crecimiento económico e igualdad social para que todo
mexicano tenga derecho a todo mexicano a un ambiente sano y de bienestar (Programa especial de Producción y
consumo sustentable 2014-2018).
Sin embargo surge la pregunta ¿Cuál es la razón por la cual resulta ser tan interesante lo que es conocido como la
producción y consumo sustentable?. Antes que nada resulta necesario definir el término sustentabilidad. Algunos
autores como White (2013) nos mencionan que la sustentabilidad es difícil de definir ya que no la podemos apreciar
visualmente. En el documento de nuestro futuro común se definió el término sustentabilidad como: satisfacer las
necesidades presentes sin comprometer las necesidades futuras (Nuestro Futuro Común, 1987). También podemos
encontrar que el desarrollo sustentable hace énfasis en la evolución de la sociedad humana desde un punto de vista de
la economía responsable, en concordancia con los procesos naturales y ambientales (Glavic y Lukman, 2007).
Para poder entender a la sustentabilidad los negocios, organizaciones no gubernamentales y organizaciones
internacionales lo visualizan como un modelo de 5 capitales, en el cual se puede ver un balance entre los factores
sociales, económicos y naturales, como se muestra a continuación.
A. El capital natural es cualquier acción o flujo de energía y materiales que produce bienes y servicios.
B. El capital humano consiste en la salud, los conocimientos, las habilidades de las personas, y la motivación.
C. El capital social se refiere a las instituciones que nos ayudan a mantener y desarrollar el capital humano en
asociación con otros; por ejemplo, las familias, comunidades, empresas, sindicatos, escuelas y voluntaria
organizaciones.
D. El capital manufacturado comprende bienes materiales o activos fijos que contribuyen al proceso de
producción en lugar de ser la salida de sí mismo; por ejemplo, herramientas, máquinas y edificios.
E. El capital financiero juega un papel importante en nuestra economía, lo que permite los otros tipos de capital
a ser de propiedad y se negocian. Sin embargo, a diferencia de los otros tipos, que no tiene en sí un valor
3
real, pero es representativa del capital natural, humano, social, o manufacturados; por ejemplo, acciones,
bonos o billetes (Weybrecht, 2014 p. 16)
El objetivo de este trabajo es estudiar si los productos verdes pueden ser considerados como una alternativa para
fomentar una producción y un consumo sustentable, y de esta forma poder darle solución a esta problemática de
producción y consumo irresponsable que podemos darnos cuenta hoy en día. Para ello analizaremos las
características de los productos verdes y determinaremos si estos tipos de productos pueden ser considerados como
una alternativa para poder fomentar la producción y consumo responsable.
La problemática Ambiental.
En su eterna interacción con la naturaleza, el ser humano no sólo ha buscado los bienes que requiere para sobrevivir,
sino ha intentado ponerla bajo su control y dominarla (Ficker et al, 2008). La sociedad ha vivido grandes cambios y
épocas que resultan ser muy interesantes al estudiar la relación hombre naturaleza, una época de gran importancia
fue la época del romanticismo, un periodo de tiempo en el cual el hombre se acerca con está adquiriéndose una
sensibilidad con el medio ambiente (Schriewer, 2012). Otro periodo relevante se encontró en la revolución industrial
donde se pudo observar una fisura en esta interacción, un periodo donde comienza la especialización de actividades
de trabajo (Rahman y Glaser, 2014), también se pueden observar cambios ambientales importantes donde el hombre
comienza a impactar a su medio de una forma acelerada y, además, hizo más abierta la relación utilitaria con la
naturaleza: la redujo a recursos naturales, a materias primas. Es justamente en esta época de la revolución industrial
en la cual no sólo podemos apreciar una tendencia del ser humano de darle más valor a la economía que al medio
ambiente, o incluso por encima del mismo valor del ser humano, creándose así no solamente un problema de índole
ambiental, sino que era cada vez más notoria la división de clases sociales, lo cual traía consigo inconvenientes de
exclusión social. En 1972 Meadows et al., escriben los límites del crecimiento donde mencionan las consecuencias
que se pueden dar debidas a aumento de la población y el agotamiento de los recursos que se puede dar para
satisfacer las necesidades de la sociedad. Una propuesta para la solucionar esta problemática se dio en la cumbre de
Rio de 1992 donde se propone un desarrollo sostenible, de igual forma en la cumbre de Johanesburgo (ONU, 2002)
donde se propone un futuro sostenible sin perjudicar el medio ambiente. Con la finalidad de darle seguimiento a la
cumbre de Rio+10 (1992), 20 años después se lleva a cabo la reunión de Rio+20 (2012), donde se propone un
crecimiento verde incluyente, un crecimiento económico sin dejar a un lado las variables sociales y ambientales
(Rio+20 Brochure, 2012).
Para Enrique Leff (2004) la problemática ambiental emerge como una crisis de civilización: de la cultura occidental;
de la racionalidad de la modernidad; de la economía del mundo globalizado. Leff menciona que la crisis ambiental
no es una catástrofe ecológica ni un simple desequilibrio de la economía, es el desquiciamiento del mundo al que
conduce la cosificación del ser y la sobreexplotación de la naturaleza; es la pérdida del sentido de la existencia que
genera el pensamiento racional en su negación de la otredad.
El sometimiento de la naturaleza y su puesta al servicio de los fines humanos se convirtió, en la época moderna, en
símbolo del progreso (Lezama y Graizbord, 2010). La explotación de recursos va a acompañado con el crecimiento
de la población, para poder satisfacer sus necesidades, como puede ser satisfacer las necesidades alimentarias o
necesidades energéticas. Como lo podemos ver en la figura no.1 podemos darnos cuenta que la población seguirá
creciendo en una forma vertiginosa, y más para los países en vía de desarrollo, requiriéndose así más recursos.
Uno de los recursos esenciales es el agua ya sea por el simple hecho que sin este no podríamos subsistir, pero este
recurso también tiene gran importancia desde el punto de vista económico. Sin embargo sin importar la gran
importancia que tiene este líquido de 1960 a 2000 se detectó un incremento en la disminución de los mantos
acuíferos de 126 km`3
a 283 km3 al año y la abstracción de agua ha incrementado a más del doble de 312 km
3 a 734
km3 al año (Wada et al, 2010), todo debido a la demanda que tiene este preciado líquido.
4
Otro aspecto importante que tenemos que considerar es la energía y cómo podemos apreciar en la fig. no.2 el
consumo de energía primaria global ha aumentado desde los últimos 60 años (Jess et al, 2011), también debido al
incremento de la población y a al cambio de los hábitos de consumo de la sociedad.
Figura No.1.- Población mundial 1750- 2050. Fuente: Banco Mundial, recuperado el 10 de Junio de 2014, de:
http://www.worldbank.org/depweb/spanish/beyond/global/chapter3.html
Figura No.2.- Consumo global de energía primaria. Fuente: Jess et al. 2011. Recuperado de: Considerations concerning the Energy Demand and Energy Mix for Global Welfare and
Stable Ecosystems. Eviromental Policy and Governance Journal. Nota: 1 toe = 41.87 GJ
Como podemos apreciar el aumento de la población nos obliga a satisfacer las necesidades de la misma, lo cual se
ve reflejado en una gran cantidad de recursos consumidos, y también nos obliga a pensar en una forma de consumo
que nos pueda garantizar que el día de mañana sigamos teniendo los mismos recursos para satisfacer la demanda
futura.
5
El concepto del consumo y producción sustentable (PCS).
El aumento de la población aunado al cambio de patrones de consumo que han ocurrido, ha provocado que la
demanda de recursos por parte de la sociedad incremente, dando así una nueva problemática de consumo
irresponsable.
En el año 1929 se ocurrió la gran depresión, época en la cual se caracterizó por una fuerte crisis económica trayendo
consigo un aumento en los niveles de desempleo, sin embargo en el año 2008 ocurrió una crisis ecológica, la cual
estaba representada por una inseguridad energética y alimenticia, además de cambio climático (Asici y Bunul, 2012),
la cual se le puede denominar multidimensional (Lipietz, 2011). Es debido a esto que ha tomado tanta importancia la
economía ecológica, la cual admite que los problemas ambientales no pueden ser resueltos por la economía
neoclásica y a la vez menciona que existe una relación estrecha entre las leyes termodinámicas, los procesos eco
sistémicos y socioeconómicos (Pérez et al., 2010).
El consumo irresponsable ha llevado a una problemática de índole ambiental que sin duda alguna repercute en el
plano económico-social y que ha llevó a pensar una nueva forma de concebir una alternativa que involucró el
término sustentabilidad.
El centro Lowell para la producción sustentable define a la producción sustentable como la creación de productos y
servicios usando procesos y sistemas que son:
1. No contaminantes.
2. Uso adecuado de los recursos naturales y energía.
3. Viables económicamente.
4. Cuida la salud de los trabajadores, consumidores y comunidades.
5. Socialmente gratificante para todos los trabajadores (Lowell Center for sustainable production).
La UNEP (United Nation Environment Program) define a la PCS como el uso de servicios y productos, que
respondan a las necesidades básicas, trayendo una mejore calidad de vida mediante el uso de la minimización del uso
de los recursos naturales y materiales tóxicos, de igual forma de la emisión de desperdicios y contaminantes dentro
del ciclo de vida del producto, todo esto sin poner en peligro las necesidades de las futuras generaciones.
Definición y características de los productos verdes.
El término verde para los productos ha dado lugar a la controversia, por ejemplo algunos productos pueden ser
amigables para el medio ambiente en algunos aspectos, pero son al mismo tiempo pueden ser peligrosos en el largo
plazo, podría argumentarse que etiquetarlos como verde es algo incorrecto y que incluso sería socialmente
irresponsable tener estos productos en el mercado (Saha and Darnton, 2005). La comisión de las comunidades
europeas define a un producto verde como aquel que usa menos recursos, tiene menores impactos y riesgos al
ambiente y previene la generación de residuos en cada una de sus etapas.
Para determinar las características de los productos verdes debemos primero analizar cuáles son las normatividades
que utilizan las empresas para denotar que sus productos son verdes. De acuerdo a lo anterior nos encontramos que
las compañías utilizan la norma ISO 14021, que nos habla acerca de “etiquetas ecológicas”, que es un mecanismo
mediante el cual da a conocer que esta empresa protege al medio ambiente. Los aspectos que considera esta norma
son los siguientes:
1. Reciclable.
2. Material reciclado.
3. Energía recuperada.
4. Reutilizable o recargable.
6
5. Susceptible de ser descompuesto en «Compost» (abono).
6. Reducción de los residuos sólidos.
7. Conserva o ahorra energía eficiente con la energía.
8. Eficiente con el agua, conserva o ahorra.
9. Reduce la utilización de recursos.
10. Degradable o biodegradable o fotodegradable.
11. Desmontable.
12. Aprobación por un grupo en particular o apoyo de una causa medioambiental.
En la figura no.3 se recapitulan las características con las que los productos verdes deben cumplir, y son variables
con las que concuerdan comisión de las comunidades europeas, la norma ISO 14000, así como otros artículos.
Como podemos apreciar en la figura no.3 existen varios puntos con los que concuerda los productos verdes y el
consumo y la producción sustentable, entre los cuales por ejemplo podemos mencionar el uso adecuado de energías y
materiales para la elaboración de este tipo de productos, otro punto en el que concuerda es por en el cuidado de los
recursos naturales, en el manejo de los desechos finales, también estos productos verdes llamados en ocasiones eco-
productos en su momento de elaboración se producen de tal forma que tienen que ser durables y a la vez
biodegradables.
Figura No. 3.- Características que los productos verdes deben de reunir para que estos productos se consideren
como tales. Fuente: Elaboración propia. José Alfredo Soriano Ortiz.
Los productos verdes como una opción para promover la producción y el consumo sustentable.
Como se mencionó en el apartado de los productos verdes por sus características y fines por los cuales fueron
diseñados realmente pueden ser considerados como una opción para promover la PCS, y esto lo podemos comprobar
en la siguiente tabla no.1.
7
Tabla no.1.- Comparación entre los aspectos que considera la Producción y consumo sustentable (PCS) y los
productos verdes.
Variable Producción y consumo
sustentable
Productos verdes
Optimización de los materiales X X
Cuidado de los recursos naturales
como aire, tierra y agua. X X
Manejo responsable de los
desechos finales. X X
Prevención del calentamiento
global. X X
Uso óptimo de las fuentes de
energía. X X
Consideración de la durabilidad
del producto. X X
La variable biodegradabilidad
como un aspecto importante. +/- X
Nota: (+/-) El aspecto biodegradabilidad no es un punto que necesariamente lo considera necesariamente la PCS.
Resultados.
Kazimieras (2012) nos menciona la que la tendencia de los negocios de seguir el mismo comportamiento propiciará
que el cambio climático no se estabilice en un futuro, propiciando que pongamos en cuestionamiento la capacidad de
la tierra para sustentar la vida. Como se puede apreciar ha existido un aumento desmedido debido al consumo
irresponsable de benefactores adquiridos por parte de la sociedad. Una de las posibles soluciones puede venir por
parte de la ciencia y la ingeniería desarrollando productos y procesos más eficientes, para así disminuir la
dependencia de recursos renovables (Sikdar, 2011), y que claramente los productos verdes son claramente una
opción para poder propiciar que la PCS se realice. En la tabla no.1 podemos darnos cuenta que la PCS y los
productos verdes tienen varios puntos en común y por lo cual puede ser considerada como un alternativa para que la
PCS se lleve a cabo.
Conclusiones.
El modelo económico neoliberalista como modelo depredador, esto aunado a los cambios en los hábitos de consumo
y el incremento de la población que se ha venido dando ha provocado que se impacte de una forma negativa a la
naturaleza. Todo lo anterior nos lleva pensar que debemos re direccionar los esfuerzos a las problemáticas que deben
ser tratadas en una forma más holística, es de aquí que surgen alternativas como la economía ecológica, economía
verde, los productos verdes y la producción y consumo sustentable.
La PCS es claramente una opción de la cual podemos hacernos valer para no sólo satisfacer nuestras necesidades,
sino que a través de este podemos obtener un crecimiento verde incluyente, pero también resulta claro que los
productos verdes nos pueden ayudar para que la PCS pueda ser una realidad.
Agradecimientos. – Al IPN, al CONACYT y al Centro Interdisiplinario sobre el Medio Ambiente
y desarrollo.
8
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1
ESTUDIO PRELIMINAR PARA LA EVALUACIÓN DE PRE-TRATAMIENTOS EN LA
ETAPA HIDROLÍTICA DE UN PROCESO DE DIGESTIÓN ANAEROBIO PARA LA
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS A PARTIR DE MICROALGAS
EVALUATION OF PRE-TREATMENT ON THE HYDROLYTIC STAGE OF ANAEROBIC
DIGESTION PROCESS FOR BIOGAS PRODUCTION FROM MICROALGAE
Olivia Córdova1
Estela Tapia1
Rolando Chamy1
Gonzalo Ruiz-Phillipi1
Abstract Numerous research efforts globally those aim to evaluate different ways of generating renewable energy to supply
the existing demands. An example of this is the studies performed to microalgal biomass, which is used for producing
biogas by anaerobic digestion process. However, the process has limitations that hinder process optimization. One
limitation is the hydrolytic step of anaerobic digestion caused by the characteristics of the cell wall of microalgae,
which depends of different factors, for example, characteristics of the species. In this study, a preliminary analysis of
the physico-chemical properties of a Chlorella sorokiniana monoculture at different stages of growth, and the
capacities hydrolytic of different pre-treatment was performed. Three different phases of the growth curve (E1, E2
and E3) were chosen for subsequent harvesting. Microalgae was characterized to determine differences in biogas
production at different stages of growth, where ST, SV, total COD, soluble COD, carbohydrates and proteins and its
potential theoretical biomethanization were assessed. In screening of different thermal, chemical and enzymatic
pretreatments where its % solubilization was determined to evaluate their hydrolytic capacity was performed.
Differences in theoretical biogas production were determined between the different stages of growth. Thus, in the
theoretical production of CH4 to the amount of substrate used in the E2 is half the amount of substrate in E1 to
produce the same quantity of CH4. The combination of chemical and enzymatic pre-treatments appears to be more
effective in relation to the hydrolytic capacity of the cell wall reaching a higher % solubilization to 50%.
Key words: Anaerobic digestion, biogás, Chlorella sorokiniana, microalgae, pre-treatment.
1 Laboratorio de Biotecnología Ambiental. Escuela de Ingeniería en Bioquímica, Facultad de Ingeniería, Pontificia Universidad
Católica de Valparaíso. Chile.
* Autor corresponsal: Laboratorio de Biotecnología Ambiental. Escuela de Ingeniería en Bioquímica, Facultad de Ingeniería,
Pontificia Universidad Católica de Valparaíso. Chile. Código Postal 2362806. Chile. [email protected]. +56-32-
2273819
2
Resumen
A nivel mundial se realizan numerosos esfuerzos para realizar investigaciones que pretenden evaluar diferentes
formas de generar energías renovables para suplir las demandas existentes. Además, de buscar reducir el impacto
ambiental negativo por el uso de energías fósiles. Un ejemplo de esto son los estudios realizados a la biomasa
microalgal, la cual es utilizada para producir biogás mediante un proceso de digestión anaerobia. Sin embargo, el
proceso presenta limitaciones que impiden una optimización en el proceso. Una limitante es la etapa hidrolítica de la
digestión anaerobia causada por las características propias de la pared celular de las microalgas, las que depende de
parámetros de cultivos, de la especie, entre otras. En el presente estudio se realizó un análisis preliminar de las
características físico-químicas de un monocultivo de Chlorella sorokiniana en diferentes fases de crecimiento,
además de la capacidad hidrolítica de diversos pre-tratamientos. Se realizaron cultivos en botellas de 5 litros. Se
escogieron tres diferentes fases de la curva de crecimiento (E1, E2 y E3), para posteriormente cosechar mediante
centrifugación. Se caracterizó la microalga para determinar diferencias en la producción de biogás en diferentes fases
de crecimiento, en donde se evaluó ST, SV, DQO total, DQO soluble, carbohidratos y proteínas y su potencial de
biometanización teórico. Se realizó un screening de diferentes pre-tratamientos térmicos, químicos y enzimáticos en
donde se determino su % de solubilización para determinar su capacidad hidrolítica. Se determinaron diferencias en
la producción teórica de biogás entre las diferentes fases de crecimiento. Así, en la producción teórica de CH4 la
cantidad de sustrato que se utiliza en el E2 es la mitad de la cantidad de sustrato en E1 para producir la misma
cantidad de CH4. La combinación de pre-tratamientos químico-enzimático resulta ser más efectiva en relación a su
capacidad hidrolítica de la pared celular, alcanzando un % de solubilización mayor al 50%.
Palabras claves: biogás, Chlorella sorokiniana, digestión anaerobia, microalgas, pre-tratamientos.
Introducción
Los problemas actuales en relación al uso de combustibles fósiles han llevado a que en los últimos años los mayores
esfuerzos estén concentrados en la generación de fuentes de energía renovables de manera limpia y eficiente, como la
producción de biocombustibles. Las energías a partir de biomasa son una alternativa a esta problemática. La biomasa
puede ser sometida a diferentes métodos como, por ejemplo, la digestión anaerobia. El resultado final de digestión
anaerobia de la biomasa será la producción de un biogás que contiene aproximadamente entre un 55 a un 75 % de
CH4, el cual puede ser utilizado para su combustión (Bohutskyi & Bouwer, 2013). En los últimos años se ha
evaluado la capacidad de degradación de la biomasa de microalgas mediante digestión anaerobia para la producción
de biogás. Las microalgas comparada con otras biomasas presenta mayores ventajas, entre las cual se pueden
mencionar la alta productividad alcanzada en los cultivos, además de no competir por suelos cultivables para su
crecimiento (González-Fernández et al. 2012a, 2012b). Sin embargo, todo el proceso de la digestión de las
microalgas se ve limitado en su etapa hidrolítica debido a las características que presentan los componentes
principales de su pared celular (Takeda, 1996). Debido a que alguno de estos compuestos son recalcitrantes (Adney,
2007), las enzimas excretadas por las bacterias no son capaces de degradar la totalidad de la biomasa, lo que se
traduce en que no toda la biomasa se convierte en biogás.
Las microalgas están compuestas principalmente por nitrógeno, fósforo y carbono, además de oligonutrientes tales
como cobalto y zinc entre otros, los cuales son estimuladores de la metanogénesis, aunque hay que tener en cuenta
que su composición varía según la especie (Rajkumar & Yaakob, 2013). Los potenciales teóricos de metanización de
los principales componentes de las microalgas reportados son: proteínas: 0,851 (L CH4/ gSV), lípidos 1,014 (L CH4/
gSV) y carbohidratos 0,415 (L CH4/ gSV). Los lípidos tienen el mayor potencial pero son los más lentos en
hidrolizarse (Sialve et al. 2009). Por ende el potencial de metanización de las microalgas va a depender fuertemente
de su composición, de la especie y de las condiciones ambientales.
Por otra parte, existen algunas aproximaciones cuyas aplicaciones permitirían un mejoramiento en la producción de
biogás como lo son los pre-tratamientos, el cual es realizado con la finalidad de mejorar la tasa de hidrolisis de las
microalgas durante el proceso de digestión anaerobia.
Se ha descrito que la digestibilidad, o la cantidad de sólidos volátiles reducidos (los que se convierten en biogás)
durante el proceso de digestión anaerobia varia ampliamente dependiendo de las características bioquímicas de las
3
especies de microalgas y factores operacionales, oscilando entre un 20 a un 60% (Christenson & Sims, 2011).
Entonces, un proceso regular de digestión anaerobia de microalgas no tiene la capacidad operativa de convertir toda
la materia orgánica en biogás, por lo que una fracción de energía se pierde, lo que conlleva a que este proceso
biotecnológico no sea lo suficientemente eficiente ni eficaz.
Este problema biotecnológico ha sido enfrentado con diferentes estrategias dentro de las cuales destacan en los
últimos años la realización de un pre-tratamiento de la biomasa, el cual tiene como propósito el acondicionar e
incrementar la digestibilidad, lo cual podría permitir un aumento en las tasas hidrolíticas, lo cual podría mejorar la
producción de biogás.
El objetivo principal del presente trabajo es realizar un estudio preliminar de las características físico-químicas de un
monocultivo de Chlorella sorokiniana en diferentes fases de crecimiento y su relación con la capacidad hidrolítica de
diversos pre-tratamientos.
Metodología
Se trabajó con un monocultivo de la microalga Chlorella sorokiniana (Shihira & R.W.Kraussl, 1965). Esta especie
fue previamente aislada desde un efluente de digestores anaerobios de lodos pertenecientes a una planta de
tratamientos de aguas servidas en España y, posteriormente identificada mediante análisis moleculares (Tapia, 2013).
Crecimiento y propagación a medio líquido de Chlorella sorokiniana
El crecimiento de la microalga inició desde un cultivo en agar en placas petri. Las microalgas que crecieron en las
pacas, se propagaron hacían tubos con medio de cultivo Suoka en agar, manteniéndolos en cámara de incubación, sin
burbujeo de aire ni CO2, por un periodo de 2 a 3 semanas bajo condiciones fotoperiodo de 12 h y temperatura entre
20 a 25ºC. Posterior a este periodo, comenzó la propagación a medio de cultivo Suoka líquido. Esta propagación
inició en matraces Erlenmeyer de 100 mL, luego 500 mL durante un periodo de tiempo en el cual los cultivos
demoraron en entrar a fase estacionaria. En esta etapa la inoculación se realizó bajo condiciones de esterilidad en
campana de flujo laminar. Las microalgas cultivadas en los matraces Erlenmeyer de 500 mL fueron utilizadas como
inóculos para finalmente propagarlas en botellas de 1L y 5L, bajo condiciones de crecimiento mixotróficas, no
estériles. El crecimiento de las microalgas en cada etapa, fue cuantificado mediante medición directo en base a masa
celular por peso seco.
Fase de crecimiento y cosecha
Previo a la caracterización de la microalga, los cultivos de Chlorella sorokiniana fueron cosechados mediante
centrifugación (rpm 4000 x 10 minutos) para obtener una biomasa microalgal concentrada. Se escogieron tres
diferentes fases de la curva de crecimiento para su cosecha: E1) Inicio crecimiento exponencial; E2) Finalización
crecimiento exponencial y E3) Crecimiento en estado estacionario. En cada una de estas fases Chlorella sorokiniana
fue caracterizada físico-químicamente y se evaluó su Potencial de Biometanización Teórico.
Caracterización de la microalga
La composición físico-química de una biomasa microalgal presenta variaciones dependiendo de la especies de
microalga, medios de cultivo utilizados entre otros parámetros asociados a su crecimiento. En cada una de estas fases
de crecimiento, la composición bioquímica de Chorella sorokiniana pudiera presentar diferencias, las cuales
pudieran afectar o no la productividad de biogás de la microalga bajo un proceso de digestión anaerobia. Dado lo
anterior se realizó una caracterización de la microalga para determinar diferencias en la producción de biogás en
diferentes fases de crecimiento, en donde se determinaron los siguientes parámetros: pH, Sólidos totales, sólidos
volátiles, DQO total, DQO soluble (determinados según metodología descrita por Standard Methods for the
Examination of Water and Wastewater, 2005), Carbohidratos (determinados mediante Método Dubois, Dubois,
1956) y finalmente Proteínas (determinadas mediante Método Lowry).
4
Aplicación de pre-tratamientos
El propósito de realizar un pre-tratamiento es acondicionar la biomasa microalgal y de esta forma aumentar o
facilitar la hidrólisis de la pared celular de la microalga. El éxito del pre-tratamiento está definido entonces, como un
aumento en los % de solubilización de la biomasa. Para ello se realizó screening de diferentes pre-tratamientos
térmicos, químicos y enzimáticos lo que se describen en la Tabla 1. En el caso del mix enzimático, este estaba
compuesto por: s 0.5 U/mg de pectinasa, 0.25 U/mg of hemicellulasa y 0.1 U/mg de cellulasa.
Tabla 1: Pre-tratamientos térmicos, químico-enzimáticos aplicados a un monocultivo de Chlorella sorokiniana
Pre-tratamiento Características
60º C la temperatura fue aplicada directamente al monocultivo
100º C la temperatura fue aplicada directamente al monocultivo
120º C la temperatura fue aplicada directamente al monocultivo
mix enzimático Aplicando un concentración del 1% en relación al monocultivo a pH 7
mix enzimático Aplicando un concentración del 5% en relación al monocultivo a pH 7
mix enzimático Aplicando un concentración del 1% en relación al monocultivo a pH 5.8 con HCL
mix enzimático Aplicando un concentración del 5% en relación al monocultivo a pH 5.8 con HCL
Evaluación de pre-tratamientos en relación a su capacidad hidrolítica
Se determinó la efectividad de los pre-tratamientos aplicados a la biomasa microalgal en base a su capacidad
hidrolítica mediante el % de solubilización obtenido posterior a la aplicación del pre-tratamiento, el cual fue
estimado mediante la ecuación 1
S% = DQOs-DQOs0 X 100 Ecuación (1)
DQOt-DQOs0
Donde
DQOs0: DQO soluble de la biomasa microalgal sin pre-tratamientos
DQOs: DQO soluble de la biomasa microalgal después de aplicar el pre-tratamientos
DQOt: DQO total de la biomasa microalgal.
Resultados
Crecimiento y propagación a medio líquido de Chlorella sorokiniana
En la Figura 1 se observa la curva de crecimiento obtenida del cultivo de Chlorella sorokiniana bajo condiciones
mixotroficas. Es posible distinguir una fase de latencia entre el día 1 (de inoculación) al día 4º. En este periodo las
células microalgales inoculadas se aclimatan a esta nueva condición de cultivo. Desde el día 5º al día 14º es posible
distinguir una fase de crecimiento exponencial. En esta fase de crecimiento las células se reprodujeron a la máxima
velocidad posible según las características operacionales ya señaladas. Finalmente, es posible distinguir una fase
estacionaria, en donde existe una limitación por nutrientes por tanto el crecimiento de la microalga se detiene.
Bajo estas condiciones de crecimiento se distinguieron las tres fases de crecimiento para la cosecha de Chlorella
sorokiniana E1, en el día 7; E2, en el día 12 y E3, en el día 17 (descritas en metodología). Las concentraciones
celulares alcanzadas en cada una de estas fases fueron: E1= 0.8 g/L; E2=1.2 g/L y E3= 1.5 g/L.
5
Figura 1: Curva de crecimiento del monocultivo de Chlorella sorokiniana bajo condiciones de cultivo mixtróficas
Caracterización de la microalga
En relación a los parámetros físico-químicos determinados en E1, E2 y E3 esto se observan en la Tabla 2.
Tabla 2: Caracterización físico-química del cultivo de Chlorella sorokiniana en dos puntos de la fase exponencial y
en la fase estacionaria de crecimiento.
E1 E2 E3
Parámetros
pH 6.88 6.90 6.90
ST g/L 8.24 12.24 12.47
SV g/L 5.84 11.35 11.69
DQO soluble 0.18 0.18 0.44
DQO total 9.25 18.50 18.50
Carbohidratos g/L 1.07 3.97 5.22
Proteínas g/L 2.11 4.27 5.00
Como se esperaba, los valores de ST, SV y DQO total fueron distintos entre E1 y E2-E3, siendo muy similares entre
E2 y E3. Por tanto, es posible determinar que si la cosecha del cultivo microalgal se realiza en E2 y E3 se espera una
mayor producción de biogás mediante digestión anaerobia. En el caso de DQO soluble los valores son los mismos en
E1 y E2, mientras que en E3 se observa un leve aumento. En el caso de los carbohidratos determinados, como se
esperaba se observa una relación entre el aumento de la concentración celular con la cantidad de carbohidratos. La
misma situación se observa para las proteínas determinadas. Al igual que en la literatura se distingue una mayor
cantidad de proteínas por sobre los carbohidratos (Sialve et al. 2009).
Los parámetros descritos permiten determinar una producción teórica de CH4 la que se observa en la Tabla 3.
Tabla 3: Valores teóricos del potencial de biometanización de los cultivos de Chlorella sorokiniana
E1 E2 E3
Parámetros
mL muestra microalga (mL) 52 26 25
Producción teórica CH4 (mL) 201.015 201.015 144.962
mL de CH4/g SV 670.048 670.048 483.208
6
Es posible observar que las mayores producciones teóricas se observan en E1 y E2. Sin embargo la cantidad de
sustrato necesario para dicha producción es diferente en cada uno de los puntos. Para E1 son necesarios 52 ml de
microalga cosecha para producir 201 mL de CH4. Para producir la misma cantidad en E2 solo es necesaria la mitad
de sustrato. De esta forma cosechar en E2 para producir biogás resultaría en una mayor producción de biogás
Evaluación de pre-tratamientos en relación a su capacidad hidrolítica
En la Tabla 3 se observan los valores de los % de solubilización obtenidos para cada uno de los pre-tratamientos
aplicados a Chlorella sorokiniana.
En relación a los pre-tratamientos térmicos. el más efectivo en la solubilización de la microalga fue a 120ºC.
alcanzando un 43% de solubilización. En relación a las cantidades de mix enzimático utilizado. como se esperaba los
mejores resultados se observaron con 5% del mix enzimático en relación a la biomasa microalgal. Así como también
cuando se utilizaron pH más ácidos. No se observó una relación entre el periodo de exposición con el aumento en el
% de solubilización. Es posible que los pre-tratamientos más ácidos permitan una mejor actividad enzimática. por lo
que la combinación de los pre-tratamientos químicos-ácidos y enzimáticos sea más efectiva en la hidrólisis de la
microalga. Así. el pre-tratamiento más efectivo fue con 5% del mix enzimático a pH 5.8 con 24 horas de exposición.
Tabla 3: % de Solubilización obtenidos de los diferentes pre-tratamientos realizados a Chlorella sorokiniana
Conclusiones
En el presente trabajo fue posible lograr monocultivos microalgales de Chlorella sorokiniana bajo condiciones de
crecimiento mixtróficas fue posible obtener una concentración celular de 1.5 g/L en un periodo de 15 días de cultivo.
Esta misma concentración celular ha sido reportada para diferentes cultivos microalgales.
Se determinaron las concentraciones de carbohidratos y proteínas asociadas a las tres fases de cosecha. En general. se
observa que las concentraciones de proteínas son mayores a la de carbohidratos hasta el final de la fase de
crecimiento exponencial. lo cual es similar a lo reportado para otras microalgas (Sialve et al. 2009)
Se determinaron diferencias en la producción teórica de biogás entre las diferentes fases de crecimiento. Así. en la
producción teórica de CH4 la cantidad de sustrato que se utiliza en el E2 es la mitad de la cantidad de sustrato en E1
para producir la misma cantidad de CH4.
La combinación de pre-tratamientos químico-enzimático resulta ser más efectiva en relación a su capacidad
hidrolítica de la pared celular. alcanzando un %de solubilización mayor al 50%. Esta efectividad puede estar
asociada a las características bioquímicas de la pared celular de la microalga.
% Solubilización Pre-tratamiento
9.79 80°C
34.93 100°C
43.49 120°C
38.36 1% N 12H
38.36 1% A 12H
28.08 5% N 12H
48.63 5% A 12H
12.67 1% N 24H
28.08 1% A 24H
53.77 5% N 24H
58.90 5% A 24H
7
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1
OBTENCION DE UN CO-CULTIVO DE BACTERIAS NITRIFICANTES Y
MICROALGAS; Y EL EFECTO DE LA LUZ SOBRE LA NITRIFICACION.
OBTANING OF A CO-CULTURE OF NITRIFYING BACTERIA AND
MICROALGAE; AND THE EFFECT OF LIGHT ON THE NITRIFICATION
Gustavo Vargas1
Gonzalo Ruiz1
Andrés Donoso-Bravo2
Christian Vergara3
Abstract It was possible to obtain a consortium of nitrifying bacteria - microalgae from aerobic sludge from a
wastewater treatment plant wastewater in a continuous system (CSTR) operation and a simple design. During
operation of this system consortium presented high percentages of ammonium removal (99.3 ± 0.3%)
estimated that this was removed by the action of both nitrifying bacteria and microalgae. Nitrification rates of
58 ± 5%, and nitrogen removal by 42 ± 5% (by removing nitrogen from the effluent) was determined when the
steady state of operation was reached.
With the proposed methodology to measure the specific activities of nitrifying bacteria and microalgae jointly
activities were determined with behavior that were related to other operational parameters followed.
Maximum specific activities were estimated 0.15 and 0.05 g NH4+/g VSS*day for nitrifying and microalgae,
respectively.
KeyWords: Consortium, Nitrification, Microalgae, Respirometry.
1 * Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso
2 INRIA Chile
3 Departamento de Ingeniería Química, Universidad de la Frontera.
* Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, General Cruz 34, Valparaíso, Chile;
(56) 322273819, [email protected]
2
Resumen:
Se logró obtener un consorcio de bacterias nitrificantes – microalgas, a partir de lodo aerobio proveniente de
una planta de tratamiento de aguas residuales, en un sistema continuo (CSTR) con una operación y diseño
simples. Durante la operación del consorcio este sistema presento altos porcentajes de remoción de amonio
(99.3 ± 0.3 %), estimándose que este fue removido tanto por la acción de las bacterias nitrificantes y las
microalgas. Se determinaron porcentajes de nitrificación de un 58 ± 5 %, y de remoción de nitrógeno de un 42
± 5 % (eliminando el nitrógeno del efluente), cuando se alcanzó el estado estacionario de la operación.
Con la metodología propuesta para medir las actividades específicas de las bacterias nitrificantes y microalgas
en forma conjunta, se determinaron actividades con un comportamiento que guardaron relación con los demás
parámetros operacionales seguidos. Se estimaron actividades específicas de máximas de 0.15 y 0.05 g
NH4+/g SSV día para nitrificantes y microalgas, respectivamente.
Palabras clave: Consorcio, Microalgas, Nitrificación, Respirometría.
Introducción
Una simbiosis microbiana interesante es la de bacterias nitrificantes – microalgas, donde las microalgas
generan O2 que utilizan las bacterias nitrificantes en la oxidación de amonio a nitrito (BAO), y posteriormente
este a nitrato (BNO); por otro lado, las nitrificantes producen CO2 que consume la microalga para la
fotosíntesis (Muñoz y Guieyssea, 2006;). Además se ha reportado que las microalgas son capaces de remover
compuestos nitrogenados inorgánicos, hidrocarburos, coliformes y materia orgánica (Abdel-Raouf et al,
2012). En las últimas décadas este consorcio ha sido ampliamente estudiado (Su y Mennerich, 2011), y se han
evaluado el efecto de las variables ambientales típicas, como el pH, la temperatura, concentración de oxígeno
y la intensidad de la luz (Muñoz Guieyssea, 2006). Este último es fundamental para el crecimiento de las
microalgas (Chen et al, 2011), pero se ha reportado que las bacterias nitrificantes son inhibidas por la luz
(Abeliovich y Vonshak, 1993; Vanzella et al, 1989, Kaplan et al, 2000).
Los valores típicos que se han reportado en literatura para el cultivo de microalgas se encuentran en los
rangos de temperatura de 16 - 27 ºC, pH entre 4 - 11 e intensidades de luz de 1000 - 10000 lux (Koller et al,
2012). Para las bacterias nitrificantes el rango óptimo de temperatura es de 30 - 40 ºC, el pH óptimo de trabajo
para BAO y BNO es de 7.2 – 7.6 y 7.9 – 8.2, respectivamente; además ellas requieren oxígeno para la
oxidación (OD > 2 ppm), (Sinha y Annachhatre, 2007). A partir de estos valores se puede establecer similitud
en el pH y la temperatura para el cultivo entre ambos microorganismos.
Las bacterias nitrificantes y las microalgas están presentes en las plantas de tratamiento de aguas residuales,
incluso participan del proceso (Su y Mennerich, 2011; Muñoz y Guieyssea, 2006). Además se ha reportado la
presencia natural del consorcio, en forma de biofilm, en la laguna de una planta de tratamiento (Mc-lean et al,
2010). En general, este tipo de consorcios se obtienen a partir de cultivos puros de cada microorganismo,
especialmente| el de microalgas (González et al, 2008; Travieso et al, 2006), lo que requiere un trabajo
complejo. En este trabajo se presenta un sistema de operación simple para la obtención del consorcio
nitrificante – microalgas, a partir de lodo aerobio de una planta de tratamiento. Además se plantea una
metodología para la determinación de la actividad específica de nitrificantes y microalgas en un consorcio.
Metodología.
Sistema de operación en continuo. En todas las experiencias se utilizó en mismo sistema continuo, cuando en
la operación se utilizó iluminación artificial el reactor era transparente. El sistema estaba constituido por un
reactor cilíndrico de 1.5 L, acoplado a sistemas auxiliares conformados por un sistema de control de pH
(Hanna instruments, modelo BL 931700) conectadas a una bomba de membrana (STROKE, modelo BL1.5)
que inyectaba una solución de HCO3-
(49 g/L, Merck), un sistema automático de alimentación (bomba
peristáltica, Masterflex L/S), aireación (5 L/min) por un compresor de aire (ABAC, modelo B 2800 - 100) y la
agitación por un agitador magnético (Stuart, modelo SB161).
3
El reactor iluminado fue fabricado de acrílico (dimensiones de 23 cm alto y 11 cm diámetro). La iluminación
fue artificial, y se utilizaron 4 tubos fluorescentes (OSRAM, 18 W) con los que se obtuvo una intensidad de
5.000 lux (en las paredes de los reactores), la intensidad de luz se midió con un luxómetro (EXTECH, modelo
403125). El medio de cultivo utilizado fue el mismo utilizado en trabajos anteriores (Ruiz et al, 2003).
Selección de nitrificantes. Se utilizó un reactor no iluminado, con un caudal constante de 0.15 L/día (TRH 10
días), el que se inoculo con lodo aerobio (3.4 g/L). En la puesta en marcha del reactor la concentración de
amonio alimentado fue ascendente. Los valores de pH, temperatura y oxígeno disuelto se mantuvieron
estables durante toda la operación (80 días) con valores de 7.62 ± 0.08, 23.2 ± 0.2 ºC y de 7.3 ± 0.2 mg O2/L;
respectivamente.
Efecto de la luz sobre biomasa nitrificante. Se operaron dos reactores, uno iluminado y otro no iluminado,
con un caudal constante de 0.375 L/día (TRH 4 días), el que se inoculo con biomasa nitrificante de la
experiencia anterior. Los valores de pH durante toda la operación (35 días), fueron de 7.49 ± 0.08 y 7.51 ±
0.07 en el reactor iluminado y no iluminado, respectivamente; mientras que la temperatura fue de 25.1 ± 0.1
°C y hubieron valores superiores de oxígeno a los 4 mg O2/L en ambos reactores.
Selección de consorcio. Se utilizó un reactor iluminado operado en continuo, con un caudal constante de 0.15
L/día (TRH 10 días), el que se inoculo con lodo aerobio (3.4 g/L). En la puesta en marcha del reactor la
concentración de amonio alimentado fue ascendente. Los valores de pH, temperatura y oxígeno disuelto se
mantuvieron estables durante toda la operación (80 días) obteniéndose valores de 7.8 ± 0.1, 27.2 ± 0.2 ºC y de
7.0 ± 0.5 mg O2/L; respectivamente.
Determinación de la actividad de bacterias nitrificantes y microalgas. Se realizaron determinaciones de la
actividad específica de microorganismos nitrificantes y de microalgas en un consorcio, por medio de la
variación del OD, al exponer en forma intermitente a la luz y un pulso de amonio de muestras del consorcio.
Se explotan los requerimientos de consumo de oxígeno en la oxidación de amonio a nitrato, por parte de las
nitrificantes, y la capacidad de producir O2 de las microalgas.
El monitoreo de la variación de OD se realizó en un reactor de acrílico de 140 mL, con una sonda de oxígeno
(Design Instruments, DO2-WWT) y un lector de la variación de OD (Design Instruments, modelo FMC series
modular control). La exposición a luz se realizó con una ampolleta de ahorro de energía de 8 watt, en una caja
forrada de papel refractario (5000 Lux en las paredes del reactor). Se inyecto aire con una bomba Pecera (Sea
star, modelo HX-108A) y la agitación fue magnética, la que fue constante durante la determinación, en la
figura 3 se presenta una imagen del sistema. En el reactor se inyectaban 25 ml de muestra de la salida de los
reactores, y se adicionaban 75 ml de agua. Las muestras se aireaban por 12 horas, se detenía la aireación
(respiración endógena nitrificantes), seguido de encendía la iluminación (Fotosíntesis endógena microalgas),
en ambos pasos se monitoreaba la variación de OD por 15-20 minutos. Posteriormente se inyecta 38 µL de
medio de cultivo (Respiración nitrificantes), seguido se encendía la iluminación (fotosíntesis microalgas), en
ambos pasos se monitoreaba la variación de OD por 20-30 minutos. La inyección del medio de cultivo se
realiza en forma manual, al igual que el encendido/apagado de la aireación e iluminación.
Para calcular las actividades específicas de nitrificantes y microalgas se utilizaron las pendientes de las rectas
obtenidas de los gráficos de variación de OD en el tiempo, estas se determinaron por regresiones lineales,
determinándose las pendientes. La actividad de nitrificante se utilizó la siguiente ecuación:
Ecuación (1) y para las microalgas se utilizó:
Ecuación (2) Donde:
ActBN = actividad específica nitrificante (g NH4+ / g SSV * día)
ActMA = actividad específica microalga (g NH4+ / g SSV * día)
4
m respiración BN = pendiente consumo de oxigeno por nitrificantes (mg O2 / L*min)
m respiración endógena BN = pendiente consumo de oxigeno endógeno (mg O2 / L*min)
m respiración MA = pendiente producción de oxigeno (mg O2 / L*min)
m respiración endógena MA = pendiente producción de oxigeno endógena (mg O2 / L*min)
YNH4+/O2 = rendimiento teórico de amonio (g NH4+ / g O2).
f d = factor de dilución de la muestra.
X muestra = biomasa de la muestra analizada (g SSV / L)
Los valores de rendimiento teórico utilizados fueron de 0.2813 g NH4+/gO2 para las bacteria nitrificantes, la
que fue calculada a partir de las ecuación 1, y para las microalgas 0.089 g NH4+/gO2. Esta se calculó a partir
de la ecuación 3, la que se determinó con la típica formula molecular utilizada de biomasa de microalga, que
es la CH1.83O0.48N0.11P0.01 (Arbib et al, 2013). Se asumió que la fuente nitrógeno fue amonio y solo se produce
oxigeno como producto externo.
CO2 + 0.11 NH+
4 + 0.01 PO4= + 2.255 H2O + hν CH1.83O0.48N0.11P0.01 + 0.695 O2 Ecuación (3)
Metodología analítica. En todas las experiencias se midieron diariamente las concentraciones de amonio
[NH4+], nitrito [NO2
-] y nitrato [NO3
-] por espectrofotometría (APHA, 1995); el OD y la temperatura por una
sonda de oxigeno (DO2-WWT conectado a un FMC series modular control), y el pH con un electrodo
(OAKTON, WD 35802-00). Además de los flujos de alimentación y de HCO3- por desplazamientos de
volúmenes. Cada 5 o 7 días se determinó la biomasa (SSV) secando y calcinado hasta peso constante, y
también se determinó el contenido de clorofila A por fluorescencia (Fluorimetro de mano Aquaflor, Design
Turner). Además realizaron análisis cualitativos de las muestras de salida con un microscopio de
fluorescencia (Nikon, modelo 50I).
Resultados y discusiones.
Efecto de la luz sobre biomasa nitrificante. Después de la obtención de biomasa nitrificante, con los efluentes
de la operación, se inocularon dos reactores con iguales condiciones de operación, la única diferencia es que
uno fue iluminado. Durante la operación del reactor iluminado se observó la aparición de biomasa verde, el
que apareció a los 14 días aproximadamente, presumiblemente de microalgas. Mientras que en el reactor no
iluminado la biomasa era similar a la inoculada (nitrificantes), y no se apreció la coloración verde. Los
contenidos promedios de biomasa en los reactores fueron de 0.6 ± 0.2 y 1.1 ± 0.4 g SSV/L en el no iluminado
e iluminado, respectivamente. Esta diferencia se atribuyó a que en el reactor no iluminado solo crecieron
nitrificantes, mientras que el iluminado además creció microalgas.
Análisis en un microscopio de fluorescencia de muestras de loa reactores (figura 1), evidenciaron la presencia
y aumento de un microorganismo con capacidad de fluorescencia en el reactor iluminado, atribuida a la
clorofila (por la coloración verde). Esto fue confirmado con la determinación de los contenidos de clorofila A
que se presenta en la figura 2, en ella se puede observar como en el reactor no iluminado la concentración es
prácticamente cero, mientras que en el reactor iluminado hay un aumento en el contenido de clorofila A, con
un pico importante el día 21, exceptuando este día hay una concentración promedio 13.59 mg clorofila A/L.
Similares perfiles de crecimiento de clorofila A fue evidenciado por Chen y colaboradores (2011) en el
cultivo de Chlorella sp en un fotobioreactor tubular en continuo, donde atribuyen el pico de crecimiento a un
periodo de fotoaclimatación para evitar la fotoinhibición, por lo que posiblemente el microorganismo que
crece en el reactor iluminado son microalgas.
5
Figura 1.- Imágenes del microscopio de fluorescencia de muestras del reactor no iluminado (A) e iluminado
(B), en el efecto de la luz sobre las bacterias nitrificantes.
Figura 2.- Variación de la concentración de Clorofila A in vivo en el reactor iluminado (rojo) y no iluminado
(azul), en el efecto de la luz sobre las bacterias nitrificantes.
En ambos reactores no se observó acumulación de N-NO2- se observó la presencia de altas concentraciones de
N-NO3-, por la nitrificación completa, evidenciándose la presencia de nitrificantes en los reactores durante
toda la operación. En el reactor no iluminado el promedio de las concentraciones de N-NO3- de salida y de N-
NH4+ alimentado son estadísticamente similares, indicando que ocurre una oxidación completa de todo el N-
NH4+ alimentado, lo que fue confirmado con los consumos de HCO3
-. Las concentraciones de N-NO3
- de
salida y de N-NH4+ alimentado en el reactor iluminado fueron diferentes, incluso la concentración de N-NO3
-
de salida disminuyeron hasta los 20 – 25 días de operación, posteriormente se mantuvo estable. La diferencia
entre N-NO3- de salida/N-NH4
+ alimentado se atribuye a las microalgas, las que pueden consumir N-NH4
+ de
la entrada o el N-NO3- producido (Abdel-Raouf et al, 2012). En base a la relación de N-NO3
- salida/N-NH4
+
alimentado se puede calcular el promedio del porcentaje de nitrificación cuando se mantuvo estable la
concentración de N-NO3-
en la salida (posterior a los 20 días), obteniéndose un 33 ± 5 %. A pesar de las
diferencias en ambos reactores se lograron altos valores de remoción amonio, los valores obtenidos fueron de
95 ± 2 y 95.1 ± 0.7 en los reactores no iluminados e iluminados, respectivamente.
El crecimiento de las microalgas en el reactor iluminado nos indica que la selección de las bacterias
nitrificantes no fue eficiente, y que las microalgas se encontraban presentes en el lodo aerobio y que lograron
persistir en el reactor bajo las condiciones de operacionales optimas de nitrificantes. A partir de los resultados
obtenidos hasta el momento se puede asumir que en el reactor iluminado tenemos un consorcio de bacterias
nitrificantes - microalgas, el que se ha reportado que tiene la capacidad de remover el nitrógeno del reactor
(entre un 20 – 80 % del nitrógeno total), lo que explicaría la remoción de nitrógeno en el reactor iluminado
(posterior a los 20 días) de un 67 %. (Posadas et al, 2013).
6
Figura 3.- Variación de la concentración de los compuestos nitrogenados inorgánicos en el reactor luminado
y no iluminado, en el efecto de la luz sobre las bacterias nitrificantes. Se presentan el N-NH4+ (-♦-), N-NO2
-
(-■-) y el N-NO3- (-▲-) de la salida; además del N-NH4
+ de la alimentación (-x-) del reactor.
En la figura 4 se presentan las actividades específicas de las bacterias nitrificantes en el reactor no iluminado
en ausencia y presencia de luz, determinadas por respirometrías, estos presentaron un promedio de 0.023 ±
0.006 y 0.006 ± 0.002 g NH4+/gSSV día, respectivamente; obteniéndose un porcentaje de inhibición
promedio de 72 ± 8 %. El perfil de comportamiento concuerda con la variación de los compuestos
inorgánicos nitrogenados y el consumo de bicarbonato observados en el reactor. En el caso del reactor
iluminado no se pudo determinar las actividades específicas nitrificantes, por la presencia de microalgas.
Figura 4.- Evolución de la actividad específica nitrificante determinadas por respirometría sin luz (azul) y
con luz (rojo) de la biomasa proveniente del reactor no iluminado, en el efecto de la luz sobre las bacterias
nitrificantes.
Selección de consorcio. En el reactor se observó la presencia de N-NO3-
durante toda la operación, lo que
indica la presencia y el aumento de microorganismos nitrificantes. La concentración de N-NO3- presento un
aumento hasta 25 días de operación, estabilizándose en 750 mg N-NO3-/L aproximadamente, evidenciándose
un oxidación incompleta del amonio alimentado. Durante los primeros días de operación se observó la
presencia N-NO2- en el efluente, el que es un producto intermediario de la nitrificación (Sinha y Annachhatre,
2007), hasta que la concentración de N-NH4+ alimentado se mantuvo constante (20 días de operación),
momento en que decayó la acumulación de N-NO2- y se elevó la concentración de N-NO3
- a la salida del
reactor. Esta acumulación N-NO2- se ha reportado en experiencias con nitrificantes, esta se atribuye a una
inhibición momentánea y reversible de las BNO (Campos et al, 2007). El porcentaje de remoción de amonio
durante toda la operación fue de 99.3 ± 0.3 %. Además de la presencia de nitrificantes en el reactor, se
evidencio el crecimiento de microalgas, al observarse la aparición de biomasa verde desde los 14 días de
operación, y al igual que en la experiencia anterior se observó por microscopio de fluorescencia la presencia
(desde los 7 días) y el aumento de los microorganismos con capacidad de fluorescencia (ver figura 4),
7
atribuido a la clorofila de las microalgas, esto fue confirmado con la determinación de clorofila A.
Figura 5.- Variación de la concentración de los compuestos nitrogenados inorgánicos en el reactor para la
obtención del consorcio. Se presentan el N-NH4+ (-♦-), N-NO2
- (-■-) y el N-NO3
- (-▲-) de la salida; además
del N-NH4+ de la alimentación (-x-) del reactor y el porcentaje de remoción de amonio (-ж-).
Figura 6.- Variación de las actividades específicas determinadas (abajo), y de las pendientes obtenidas
(arriba) en el análisis de la variación de OD a exposición intermitente de amonio y luz, para nitrificantes
(azul) y microalgas (rojo).
En la figura 6 se presentan los valores de las actividades específicas, estas se fueron diferenciando
progresivamente debido a la gran diferencia del YNH4+/O2, con actividades específicas nitrificante hasta 5 veces
mayor, en los últimos días de operación. Los valores de actividad específica determinados son bajos, respecto
a las velocidades de nitrificación en sistemas de tratamiento de aguas residuales reportados en literatura
(Carrera, 2001).
Conclusiones
Es posible obtener un consorcio de bacterias nitrificantes – microalgas, a partir de lodo aerobio, en un sistema
continuo con una operación y diseño simples, con altos porcentajes de remoción de amonio y de nitrógeno.
Además, es posible medir las actividades conjuntas de las bacterias nitrificantes y microalgas en un consorcio,
pudiéndose establecer relación con la actividad en el interior del reactor, aunque las actividades son bajas.
Agradecimientos
INRIA Chile, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso (Proyecto PUCV-DI 103.277)
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1
EVALUACIÓN DEL POTENCIAL METANOGÉNICO DE ORUJO DE OLIVA.
INFLUENCIA DE LA RAZON SUSTRATO-INÓCULO Y EFECTO DEL
PRETRATAMIENTO MECÁNICO
EVALUATION OF THE S/I RATIO AND ITS INFLUENCE IN THE METHANOGENIC
POTENTIAL OF STARCH, CRUDE OLIVE POMACE AND PRETREATED MECHANICALLY
Eduardo Ortega Martínez1*
Gonzalo Ruiz Filippi 12
Andres Donoso Bravo12
Abstract A study of the inoculum/substrate ratio (S/I) in the starch biodegradation, crude olive oil pomace and Pretreated
Mechanically was performed in a batch assay (in a laboratory scale) at mesophillic temperature (37ºC) with a initial
pH between 7.3 and 7.5. The assay was conducted in glass bottles with a working volume of 100 mL and a
headspace around 12.5 mL with an inoculum concentration of 5gVS/L. The amount of substrate added to each assay
was varied, so five S/I ratio were evaluated: 0.8 – 1.5 – 4.6 – 10.3 and 13.8 g Substrate COD/g Inoculum VS. The
assay was prolonged until all the gas production in all the bottles stopped, so the total time of the assay was around
the 70 days. At the end of the starch assay, was obtained a higher specific methane production, as the S/I ratio
decreased, going from 33.0±1.3 to 255.7±2.5 [mL CH4/g Starch COD].This variation could have been caused by the
oversaturation of substrate in elevated S/I ratio. By other hand, the crude olive pomace had a specific methane
production according to what happened with the starch, where the specific methane production increased at low S/I
Ratio, going from 59.3±4.0 [mL CH4/g Pomace COD] in the higher S/I Ratio, to 99.4±0.7 [mL CH4/g Pomace
COD] in the lower S/I Ratio, with this can be concluded that the S/I Ratio is a critical parameter in the BMP assay.
Finally in the pretreated pomace (pPomace), as it was expected, the specific methane production behaves like the
previous cases, going from 49.6 [mL CH4/g pPomace COD] at the higher ratio (13.8 [g pPomace COD Starch /g
inoculum VS]), to 101.8±9.8 [mL CH4/g pPomace COD] to the lower ratio of (0.8 [g pPomace DQO /g Inoculum
VS]), so the pretreatment produces a slightly different specific methane production than the crude pomace, but this
variation isn’t enough for using this pretreatment as an enhancing method of the anaerobic digestion of olive
pomace
Key Words: Anaerobic Digestion, Methanogenic Potential, Olive Pomace, S/I Ratio.
1 Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso.
2 INRIA-Chile. Communication and Information Research and Innovation Center (CIRIC).
* Eduardo Ortega Martínez: Escuela de Ingeniería Bioquímica, Pontificia Universidad Católica de Valparaíso, General Cruz 34,
Valparaíso. Código Postal . Chile. Email: [email protected]
2
Resumen
Un estudio de las razones sustrato/inoculo (S/I) en la biodegradación de almidón, orujo de oliva crudo y pre-tratado
mecánicamente fue llevado a cabo en un ensayo batch a escala laboratorio a una temperatura mesofílica (37ºC) con
un pH inicial entre 7.3-7.5. El ensayo fue montado en botellas de vidrio con un volumen útil de 100 mL y un espacio
de cabeza de 12.5 mL aproximadamente. El ensayo contó con una cantidad invariable de inoculo de 5 g/L de sólidos
volátiles (SV). La cantidad de sustrato agregada a cada ensayo fue variando con lo cual se dispuso de 5 razones (0.8
– 1.5 – 4.6 – 10.3 y 13.8 [g DQO Sustrato /g SV inoculo]). El ensayo se prolongó hasta que todas las botellas
hubiesen detenido su producción, por lo que el tiempo del ensayo bordeó los 70 días. Al término del ensayo, para el
caso del almidón, se obtuvo una producción específica máxima de metano a medida que disminuye la razón S/I,
yendo desde 33.0±1.3 a 255.7±2.5 [mL CH4/g DQO Almidón]. Esta variación se pudo deber a la sobresaturación de
sustrato a las razones más altas. Por otra parte, el orujo de oliva crudo tuvo una producción de metano específica
acorde a lo sucedido con el almidón, en donde se produjo un aumento de la producción especifica de metano a
medida que la razón S/I disminuía, con lo cual se produjo 59.3±4.0 [mL CH4/g DQO Orujo] en la razón más alta,
hasta los 99.4±0.7 [mL CH4/g DQO Orujo] en la razón S/I más baja, lo cual comprueba el hecho que la razón S/I es
un parámetro de suma importancia a la hora de pensar en ensayos BMP. Finalmente en el caso del orujo de oliva pre-
tratado mecánicamente (pOrujo) tal como se esperaba, se observo un comportamiento similar a los anteriores, en
donde la producción específica de metano se comportaba inversamente a la razón S/I, produciéndose 49.6 [mL
CH4/g DQO pOrujo]] a la razón de (13.8 [g DQO pOrujo /g SV inoculo]), hasta los 101.8±9.8 [mL CH4/g DQO
pOrujo] a la razón de (0.8 [g DQO pOrujo /g SV inoculo]), con lo cual el pre-tratamiento produjo una cantidad
levemente distinta de metano específico, lo cual indica que el uso de un pre-tratamiento mecánico no mejora
considerablemente la cantidad de metano especifica producida.
Palabras clave: BMP, Digestión anaerobia, Orujo de Oliva, Potencial Metanogénico, Razón S/I.
Introducción (Subtítulo)
La digestión anaerobia es un sistema consolidado a nivel mundial, el cual tiene como objetivo reducir la materia
orgánica presente en el residuo obteniéndose como sub producto biogás el cual tiene un valor energético importante
por el metano presente en el. La captura y el uso del metano también tienen como resultado la reducción de gases de
efecto invernadero y en algunos casos puede generar la venta de bonos de carbono. Estos beneficios han llevado a un
importante interés en el uso de digestores anaerobios como sistema de tratamiento de residuos. Es en base a este
hecho, que se hace necesario una planificación cuidadosa y un diseño acertado al momento de pensar en la
utilización de un digestor anaerobio, y de este modo, generar un óptimo desempeño el cual garantice el máximo
aprovechamiento del biogás. Existen un sin número de fuentes de donde se pueden obtener datos operacionales de
digestores anaerobios (Balsam, 2006; Burke, 2001), los cuales pueden servir como estimación de las condiciones a
utilizar. Sin embargo, la utilización de mencionados datos, como parámetros de diseño, puede generar una sobre
estimación del desempeño del digestor anaerobio. Es en base a este escenario que los ensayos de potencial
biometanogénicos (BMP) adquieren relevancia, pues son una fuente relativamente económica que proporciona datos
sobre la digestibilidad anaerobia de un sustrato dado y el biogás que se podría generar a partir de él, información la
cual es de suma importancia cuando se está comparando la digestibilidad de varios sustratos o cuando se desea la
optimización del diseño y operación de un reactor anaerobio. La literatura relacionada a los ensayos BMP es extensa
y da cuenta que se ha utilizado este ensayo para una gran variedad de sustratos (Gunaseelan et. al. 2004; Hansen et.
al 2004, Angelidaki et. al. 2009a). Es así, como en el último tiempo se ha reportado el uso de este ensayo de parte de
gran cantidad de investigadores. Junto con ello, muchos métodos se han utilizado para la medición del potencial
biometanogénico, sin embargo, no existe un protocolo estándar y unificado para llevar a cabo esta determinación
(Muller et. al. 2004). Es así que los datos de producción específica de metano, son de una limitada comparación y
pueden no ser precisos debido a la variación entre un protocolo y otro. Solo recientemente se ha propuesto un
protocolo para los ensayos de BMP en donde son descritos algunos lineamientos básicos para un procedimiento en
común (Angelidaki et.al. 2009b). Ahora bien, existen, muchos factores que pueden afectar la digestibilidad anaerobia
de materiales orgánicos y algunos de ellos, aun ahora, son vagamente entendidos, y frecuentemente no son descritos
3
en el procedimiento utilizado. Dentro de estos factores, quizás uno de los más importantes y muy poco descritos en
literatura es la relación que existe entre el sustrato y el inoculo (Razón S/I) factor el cual (Chudoba et. al. 1991)
reconoce como uno de los más importantes en un ensayo batch.Recientemente el gobierno chileno ha publicado un
plan energético para los siguientes 10 años, en donde uno de los ejes centrales es el fomento del uso de energías
renovables no convencionales. Es en base a este escenario, que la utilización de residuos agroindustriales para la
generación de biogás toma una notable relevancia. El sector olivícola o de producción de aceite de oliva ha tenido un
crecimiento importante y sostenido desde su aparición en el contexto chileno. Uno de los principales residuos
generados en este sector es el orujo de oliva, sustrato interesante para su transformación en biogás mediante
digestión anaerobia. Sin embargo su alto contenido en fibras hace que pueda dificultarse la metanización de este
residuo (Borja et. al. 2002). Es en base a este escenario que el uso de pre-tratamientos toma una importancia
relevante. Uno de los distintos pre-tratamientos que pueden realizarse a residuo fibrosos, es el pre-tratamiento
mecánico (Banks et. al. 2013) el cual incrementa el área superficial disponible, además de poder disminuir el grado
de cristalización de la celulosa, así también el grado de polimerización de la misma (Taherzadeh et. al. 2008), por lo
cual parece ser una interesante alternativa para ayudar a la digestión anaerobia de orujo de aceite de oliva.
Este trabajo tiene como objetivo conocer la influencia de la razón S/I en los ensayos batch de potencial
biometanogénico usando orujo de oliva crudo y pre-tratado mecánicamente. Además de determinar si existe un
aumento de la producción específica de metano pre-tratando mecánicamente el orujo de aceite de oliva.
Metodología.
Inóculo.
El inoculo, fue obtenido de un reactor continuo de tanque agitado, del cual se dispuso para obtener un inoculo fresco.
Dicho inoculo fue retirado del reactor 3 días antes de su utilización para la eliminación de la materia orgánica
remanente que pudiese estar presente resultando con las concentraciones observadas en la tabla 1.
Tabla 1. Características del Inoculo
Parámetros Técnica analítica Unidad Unidad
ST Standard Methods, Gravimétrico g/L 33.3
SV Standard Methods, Gravimétrico g/L 19.4
Sustrato.
Los sustratos utilizados fueron almidón soluble (Merck), Orujo de aceite de oliva crudo y pre-tratado
mecánicamente. El almidón fue utilizado como una especia de ensayo control con sustrato particulado de fácil de
gradación que nos da una idea de la producción de metano máxima a las diferentes razones. El orujo de oliva se
obtuvo de una planta productora de aceite de oliva por tres fases, en la región del Maule en la zona sur de Chile. El
pre-tratamiento mecánico fue realizado mediante un molino de mano, teniendo el cuidado de que la granulometría
del orujo, no sobrepasara los 3 mm. Las características del sustrato, quedan evidenciadas en la tabla 2.
Tabla 2. Características del Orujo de Oliva.
Parámetros Técnica analítica Unidad Magnitud
DQOc Método Walkley – Black gO2/kg 835.2
ST
SV
%Humedad
%Grasas (base seca)
%Cenizas (base seca)
%Fibra Cruda (base seca)
%Nitrogeno Total Kjeldahl
(base seca)
Extractos no Nitrogenados
(Base seca)
Standard Methods, Gravimétrico
Standard Methods, Gravimétrico
Método 945,15 de la AOAC
Meétodo 963,15 de la AOAC
Método 940,15 de la AOAC
Método 920,169 de la AOAC
Método 2011,11 de la AOAC
Calculados por diferencia
g/Kg
g/kg
g/100g
g/100g
g/100g
g/100g
g/100g
g/100g
452.5
445.7
50.2
8.5
1.2
57.5
0.6
32.2
4
Ensayo de Potencial Biometanogénico (BMP).
Los ensayo BMP fueron llevados a cabo de acuerdo a los lineamientos bases propuestos recientemente por (Raposo
et. al. 2011; Angelidaki et.al. 2009b). El ensayo se llevó a cabo en botellas de vidrio con 100 mL de volumen útil y
un espacio de cabeza de 12.5 mL. Las botellas fueron mantenidas en una cámara termoregulada a 37ºC sin agitación
alguna. El ensayo se preparó agregando al inoculo macro y micro nutrientes de acuerdo (Field et.al. 1987), teniendo
en cuenta las inhibiciones que pudiesen haber presentes (Cheng 2008), es por ello que se agregó bicarbonato de
sodio, el cual sirvió como tampón para evitar la acidificación que podría producirse por el aumento en la
concentración de ácidos grasos volátiles (AGVs). La proporción de bicarbonato agregada fue de 1 g de bicarbonato
de sodio por cada g de SV agregado al ensayo. Posterior a ello, se agregó a cada botella una cantidad tal de inóculo,
para que quedase una concentración de 5 g/L. Luego, se agregó a cada botella una cantidad de cada sustrato de modo
que se obtuvo 5 razones S/I : 0,8 – 1,5 – 4,6 – 10,3 y 13.8 [g DQO Sustrato /g SV inoculo]. Se utilizaron
controles/blancos para determinar la producción de biogás debido a la materia orgánica remanente que se encuentra
en el inóculo. El ensayo fue realizado por triplicado.
Resultados y Discusión
Biodegradación de Almidón
La producción específica de metano en la biodegradación de almidón es observada en la figura 1, en donde se
muestra que la producción específica de metano fue mayor en la razón 0.8 [g DQO almidón /g SV inoculo] (curva
celeste) llegando a un máximo de 255.7±2.5 [mL CH4/g DQO Almidón] seguido de la razón de 1.5 [g DQO almidón
/g SV inoculo] de línea purpura que produjo un total de 151.6±24.3 [mL CH4/g DQO Almidón]. En las otras razones
(4.6 – 10.3 y 13.8 [g DQO almidón /g SV inoculo]) no se observó una diferencia significativa puesto que las tres
bordean los 30 [mL CH4/g DQO Almidón].
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Tiempo (días)
13,8 S/I
10,3 S/I
4,6 S/I
1,5 S/I
0,8 S/I
Figura 1. Evolución en la biodegradación de almidón a distintas razones S/I.
En base a los datos anteriormente descritos se confeccionó una gráfica con los valores máximos de producción
específica de metano versus las razones S/I disponibles. Dicha gráfica, representada en la figura 2 describe
claramente que existe una relación inversa entre la razón S/I y la cantidad de metano especifico máximo, puesto que
a medida que disminuye la razón S/I, hubo un incremento en la cantidad de metano específico, encontrando un
máximo a la razón de razón 0.8 [g DQO almidón /g SV inoculo]. Esto es comparable con (Fernandez et. al. 2009)
quien obtuvo mayor rapidez en obtener un mismo valor de metano específico, a razones S/I más bajas. Por otro lado
esto comportamiento está descrito por (Chudoba et. al. 1991 y Chudoba et. al 1992) quien menciona que a razones
más bajas de S/I, existe un menor gasto energético para la multiplicación celular, lo cual visto de otro modo indicaría
un mayor gasto del carbono utilizado como sustrato en vías que pudiesen producir metano.
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Razones S/I (g DQO/ g SV)
Figura 2. Influencia de la relación S/I versus la producción especifica máxima de metano
Biodegradación de Orujo de Oliva Crudo
La metanización de orujo de oliva es observada en la figura 3a, en donde se observa que existe un máximo de
producción de metano específico a la razón de 0.8 [g DQO orujo/g SV inoculo] tal como se observó en el caso del
almidón, sin embargo esta vez la producción de metano especifica tuvo un valor de 99.4±0.7 [mL CH4/g DQO
Orujo] curva celeste a la razón de 0.8 [g DQO Orujo /g SV inoculo], seguida de la razón 1.5 [g DQO Orujo/g SV
inoculo] curva morada con un valor de 76.3±5.7 [mL CH4/g DQO Orujo] y tal como el caso del almidón, en las tres
razones restantes (4.6 – 10.3 y 13.8 [g DQO Orujo /g SV inoculo]) no se observaron diferencias significativas puesto
que las tres bordearon los 55 [mL CH4/g DQO Orujo]. La producción específica máxima obtenida, es un poco mayor
a la presentada por (Tekin et. al. 2000) quien obtuvo un valor de 80[mLCH4/g Orujo alimentado], sin embargo, el
autor no indica explícitamente la razón S/I utilizada, lo cual hace difícil su comparación con los valores obtenidos, y
hace difuso el conocer si esta variación se debe a una baja o alta relación S/I o es por las diferencias típicas que
podrían poseer dos residuos de plantas olivícolas distintas.
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Razones S/I (gDQO/gSV)
Figura 3. Figura 3a (Izquierda). Evolución en la metanización de Orujo de oliva a distintas razones S/I. Figura 3b
(derecha). Influencia de la Relación S/I versus la producción especifica máxima de metano a partir de orujo de oliva
crudo.
Se confeccionó una gráfica de la producción máxima de metano versus las distintas razones S/I (Figura 3b), la cual
deja en evidencia que al igual que en el caso del almidón, existe una relación inversa entre la producción especifica
máxima de metano y la razón S/I. Sin embargo, se observa un efecto menos pronunciado que en la curva con
almidón, lo cual se debió a que el orujo de oliva es un sustrato complejo, y no tan simple de digerir anaeróbicamente
que el almidón.
6
Biodegradación de Orujo de Oliva Pre-tratado Mecánicamente
La metanización de orujo de oliva pre-tratado mecánicamente (pOrujo) es observada en la figura 4a, en donde se
observa que existe un máximo de producción de metano específico a la razón de 0.8 [g DQO pOrujo/g SV inoculo]
tal como se observó en los casos anteriores, produciéndose una cantidad de metano especifica de 101.8±9.8 [mL
CH4/g DQO pOrujo] seguido de la razón 1.5 [g DQO pOrujo/g SV inoculo] curva morada con un valor de 61.7±1.1
[mL CH4/g DQO pOrujo] y tal como en los casos anteriores las tres razones restantes (4.6 – 10.3 y 13.8 [g DQO
pOrujo /g SV inoculo]) no se observaron diferencias significativas puesto que las tres bordearon los 47 [mL CH4/g
DQO pOrujo].
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10,3 S/I
4,6 S/I
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)Razones S/I (gDQO/gSV)
Figura 4. Figura 4a (Izquierda). Evolución en la metanización de Orujo de oliva pre-tratado mecánicamente a
distintas razones S/I. Figura 4b (Derecha) Influencia de la Relación S/I versus la producción especifica máxima de
metano a partir de orujo de oliva pre-tratado mecánicamente.
Finalmente, se elaboró una gráfica de la producción máxima de metano versus las distintas razones S/I (Figura 4b),
la cual demuestra al igual que los casos anteriores la razón S/I y la producción especifica máxima de metano poseen
una relación inversa. Por otra parte, se observa también que los valores obtenidos no difieren de manera significativa
de los obtenidos en la metanizacion de orujo de oliva crudo. Sin embargo se observa más repetibilidad en los
resultados debido probablemente a la homogeneización del orujo de oliva al momento de pre-tratarlo
mecánicamente. Estos resultados se condicen con lo dicho por (Banks et. al 2013) quien no obtuvo un aumento
significativo en la producción específica de metano al disminuir el tamaño de partícula. En ambos casos la
producción de metano fue bastante menor que los valores obtenidos con almidón como sustrato mostrando que el
orujo de oliva es una residuo particulado con menor biodegradabilidad donde probablemente la etapa de
desintegración (previa a la hidrólisis) debe jugar un rol fundamental. Otro tipo de pretratamientos deben ser
evaluados como alternativa para la mejora del potencial metanogénico del orujo de oliva.
Conclusiones.
Los resultados presentados en este estudio confirman que la digestión anaerobia es una alternativa para la
recuperación energética en forma de metano desde los residuos sólidos de la producción de aceite de oliva en Chile.
Por otro lado, se puede concluir que la razón S/I es un parámetro de suma importancia que puede influir en la
cantidad específica de metano producido, obteniéndose en este estudio un máximo de producción en la razón de 0.8
[g DQO almidón /g SV inoculo]. Por otra parte cabe mencionar que el pre-tratamiento mecánico realizado al orujo de
aceite de oliva, no produjo un aumento relevante en la cantidad de metano específico, por lo que pese a las ventajas
que pudiese tener la homogeneización del residuo, el costo de este pre-tratamiento mecánico puede hacer que esta
opción sea inviable.
Agradecimientos. – Este trabajo ha sido financiado por el proyecto Fondecyt de Iniciación n°
11130462. Se agradece también a Oscar Candia del Centro de Estudios en Alimentos
Procesados (CEAP), CONICYT – Regional, Gore Maule R09I2001, Chile, por su apoyo en el
muestreo del orujo.
7
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