alirio alonso cainaba código 20162085255 julián esteban
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Determinación de la efectividad como coagulante a partir de almidón de papa criolla
(Solanum phureja) en la clarificación de aguas en muestras sintéticas.
Alirio Alonso Cainaba
Código 20162085255
Julián Esteban Delgado Díaz
Código 20162085253
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad De Medio Ambiente Y Recursos Naturales
Tecnología En Saneamiento Ambiental
Bogotá
2020
Determinación de la efectividad como coagulante a partir de almidón de papa criolla
(Solanum phureja) en la clarificación de aguas en muestras sintéticas.
Alirio Alonso Canaiba
Código 20162085255
Julián Esteban Delgado Díaz
Código 20162085253
Trabajo de Investigación sobre coagulantes naturales para optar por el título de Tecnólogos
en Saneamiento Ambiental
Director de Investigación Jayerth Guerra Rodríguez
Químico Máster en Química Analítica
Universidad Distrital Francisco José De Caldas
Facultad De Medio Ambiente Y Recursos Naturales
Tecnología En Saneamiento Ambiental
Bogotá
2020
Nota de Aceptación
_______________________________
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_______________________________
______________________________
Presidente del Jurado
_______________________________
Jurado
______________________________
Bogotá, Agosto 2020 Jurado
Dedicatoria
A nuestros núcleos familiares por apoyar todo nuestro proceso educativo y ser ese pilar de
soporte tan necesario en estos difíciles tiempos.
Agradecimientos
A nuestro profesor y director de trabajo de investigación Jayerth Guerra Rodríguez por
guiarnos y sobre todo, la inmensa confianza que tuvo con nosotros todo el tiempo.
Índice Pag
INTRODUCCIÓN ................................................................................................................. 12
PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ............................................................................ 15
JUSTIFICACIÓN .................................................................................................................. 17
1. OBJETIVOS ....................................................................................................................... 20
1.1. OBJETIVO PRINCIPAL ............................................................................................... 20
1.2. Objetivos Específicos ................................................................................................ 20
2. MARCO CONCEPTUAL ................................................................................................. 21
2.1 Marco teórico ............................................................................................................ 21
2.1.1. Agua. ....................................................................................................................... 21
2.1.2. Agua para consumo humano................................................................................... 22
2.1.3. Calidad del agua...................................................................................................... 23
2.1.4. Parámetros de calidad del agua ............................................................................... 23
Olor y sabor ...................................................................................................................... 23
Color aparente ................................................................................................................... 24
2.2. Procesos y operaciones de clarificación de aguas. ................................................ 29
2.2.1. Clarificación de aguas ............................................................................................. 29
2.2.2. Coloides .................................................................................................................. 29
2.2.3. Coagulación y floculación ...................................................................................... 31
Mecanismos de Coagulación ............................................................................................ 33
2.2.4. Sedimentación ........................................................................................................ 35
2.3. Coagulantes .............................................................................................................. 37
2.3.1. Coagulantes poliméricos (Polielectrolitos) ............................................................. 37
2.3.2. Polímeros naturales ................................................................................................. 37
2.3.3 Propiedades de los almidones .................................................................................. 38
2.4. Papa (solanum phujera) .......................................................................................... 39
3. METODOLOGÍA .............................................................................................................. 42
3.1. procedimientos llevados a cabo para la extracción del almidón de la pulpa de
papa criolla y preparación de buffers. .......................................................................... 42
3.2. Procedimientos........................................................................................................... 42
3.3. Preparación de Buffers............................................................................................... 45
3.4. Preparación de agua turbia sintética ..................................................................... 46
3.5. Preparación solución madre .................................................................................. 46
3.6. Test de jarras ............................................................................................................ 47
3.7. Parámetros estadísticos utilizados .......................................................................... 47
3.7.1. Medidas de tendencia central ................................................................................. 47
3.7.2. Medidas de dispersión ............................................................................................ 48
3.8. Diseño Experimental............................................................................................... 49
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ....................................................................................... 52
4.1. Rendimiento en seco del extracto de pulpa. .......................................................... 52
4.2. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH 5. 53
4.3. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH 6 54
4.4. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH 7 y
8. ....................................................................................................................................... 56
4.5. Resultados comparación de la eficiencia del extracto de almidón de papa criolla
en los buffer de pH 5 a 8. .............................................................................................. 58
4.6. Análisis de eficiencia almidón de papa criolla. ..................................................... 59
4.7. Estandarización del ensayo con mejor remoción en condiciones óptimas. ........ 62
5. CONCLUSIONES.............................................................................................................. 64
6. RECOMENDACIONES ................................................................................................... 65
BIBLIOGRAFÍA.................................................................................................................... 66
ANEXOS ................................................................................................................................. 75
Índice de figuras
Pag
Figura 1. Representación esquemática para el modelo de puentes en la coagulación de
coloides mediante polímeros. ........................................................................................................................... 35
Figura 2. Procedimiento de lavado de papa criolla. ............................................................................ 42
Figura 3. Proceso de rayado de pulpa de papa criolla ....................................................................... 43
Figura 4. Proceso de sedimentación del almidón de pulpa de papa criolla ................................ 43
Figura 5. Proceso de secado del almidón pulpa de papa criolla ..................................................... 44
Figura 6. Proceso de molienda y tamizado de almidón de papa criolla ....................................... 44
Figura 7. Proceso de almacenamiento almidón pulpa de papa criolla en seco. ....................... 45
Figura 8. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 614-801 NTU a pH 5. .................................................................................................................... 53
Figura 9. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 214-395 NTU a pH 5. .................................................................................................................... 54
Figura 10. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 614-801 NTU a pH 6. ..................................................................................................................... 55
Figura 11. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 214-395 NTU a pH 6. ..................................................................................................................... 55
Figura 12. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 614-801 NTU a pH 7 ...................................................................................................................... 56
Figura 13. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 214-395 NTU a pH 7. ..................................................................................................................... 57
Figura 14. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 614-801 NTU a pH 8. ..................................................................................................................... 57
Figura 15. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 214-395 NTU a pH 8. ..................................................................................................................... 58
Figura 16. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de
turbiedad 214, 395, 614 y 801 NTU a pH 5, 6, 7 y 8 con dosificación de 20 mL. ....................... 59
Índice de tablas
Pag
Tabla 1. Clasificación taxonómica de la papa criolla. ........................................................... 40
Tabla 2. Análisis físico- químico papa criolla......................................................................... 41
Tabla 3. Diseño experimental extracto almidón de papa criolla. ........................................... 51
Tabla 4. Peso extracción del almidón. .................................................................................... 52
Tabla 5. Condiciones del ensayo con mayor porcentaje de remoción de turbiedad. ............. 62
Tabla 6.Estandarización de la confiabilidad del mejor resultado de remoción de turbiedad.
.................................................................................................................................................. 63
Índice de ecuaciones
Pag
Ecuación 1. Media aritmética. ................................................................................................ 48
Ecuación 2. Varianza. ............................................................................................................. 48
Ecuación 3. Coeficiente de variación ..................................................................................... 48
Ecuación 4. Coeficiente de variación. .................................................................................... 49
Ecuación 5. Confiabilidad. ..................................................................................................... 49
Resumen
Hoy en día, las comunidades colombianas en especial la población vulnerable, enfrentan el reto
de una mejorar sus sistemas de potabilización empleando técnicas que aumenten la eficiencia
de dichos procesos. Dentro de la potabilización uno de los procesos más importantes es la
clarificación de aguas, los inconvenientes surgen en el proceso de coagulación, ya que necesita
de un agente químico coagulante para la remoción de la mayor cantidad de partículas
coloidales. En Colombia el coagulante más utilizado es el sulfato de aluminio, su inadecuado
uso conlleva problemas ambientales y de salud para las comunidades, además costos que
algunos municipios no pueden suplir. Esto es razón para desarrollar alternativas a este tipo de
agentes químicos utilizados como coagulantes. En este trabajo de investigación se evaluó la
eficiencia como bio-coagulante de papa criolla usando la pulpa para una posterior obtención
de almidón que es el compuesto activo. Tras obtener el almidón se procede a realizar el test de
jarras para determinar la eficiencia del almidón extraído de la pulpa de papa criolla para las
turbiedades de 801, 614, 395 y 214 NTU además se varió el pH realizando buffers de pH 5, 6,
7 y 8 para cada turbiedad. El mejor resultado expreso una eficiencia del 98.7 % con el almidón
extraído de la pulpa, dosis de 20 ml, con una turbiedad inicial de 801 NTU y una turbiedad
final de 10.44 NTU. El mayor índice de eficiencia se presentó en las pruebas realizadas en el
agua turbia sintética realizada con el buffer de pH 5.
Palabras clave: potabilización, coagulación, coagulantes, clarificación, bio-coagulante,
eficiencia.
Abstract
Today, Colombian communities, especially the vulnerable population, face the challenge of
improving their water treatment systems using techniques that increase the efficiency of these
processes. Within the purification one of the most important processes is the clarification of
waters, the drawbacks arise in the coagulation process, since it needs a coagulating chemical
agent for the removal of the largest amount of colloidal particles. In Colombia the most widely
used coagulant is aluminum sulfate, its inadequate use entails environmental and health
problems for the communities, in addition to costs that some municipalities cannot supply. This
is reason to develop alternatives to this type of chemical agents used as coagulants. In this
research work, the efficiency as a bio-coagulant of native potatoes was evaluated using the pulp
for a subsequent obtaining of starch, which is the active compound. After obtaining the starch,
the jar test is carried out to determine the efficiency of the starch extracted from the creole
potato pulp for the turbidity of 801, 614, 395 and 214 NTU. In addition, the pH was varied by
performing buffers of pH 5, 6, 7 and 8 for each turbidity. The best result expressed an efficiency
of 98.7% with the starch extracted from the pulp, 20 ml dose, with an initial turbidity of 801
NTU and a final turbidity of 10.44 NTU. The highest efficiency index was found in tests carried
out in synthetic cloudy water carried out with the pH 5 buffer.
Key words: purification, coagulation, coagulants, clarification, bio-coagulant, efficiency.
12
Introducción
En la actualidad el agua es uno de los recursos primordiales para la existencia de los seres
vivos, motivo por el cual el hombre se preocupa por tratar de mantener esté lo menos
contaminado posible, esto genera la necesidad de realizar tratamientos para su clarificación.
En Colombia se refleja una problemática importante en la calidad del agua suministrada a sus
habitantes, en especial a las comunidades que se ubican en las zonas rurales.
La falta de agua potable en nuestro país representa un problema realmente grave para la
población de escasos recursos por lo que es necesario buscar nuevas y eficientes alternativas
que brinden la posibilidad de mejorar la calidad del agua para el consumo humano, que sea de
fácil acceso y consecución para las poblaciones marginales del territorio nacional. El acceso al
agua potable es importante tanto para la salud pública como para el desarrollo socioeconómico
del país; la agricultura, ganadería, industria, comercio y la vida diaria depende del agua en
cantidad y calidad suficiente. Su carencia, además de ser causa principal de pobreza, origina
retrasos en el progreso de cualquier comunidad (Alcalde, 2011). Cabe resaltar que cada vez es
mayor el problema de contaminación del recurso hídrico no solo en Colombia si no en todo
mundo (Sánchez, 2002).
La materia prima propuesta para el tratamiento de clarificación de agua es la papa criolla, se
extrae de la naturaleza sin ningún proceso invasivo; de esta manera se rompe el paradigma de
la exclusividad de los productos químicos industriales tales como el sulfato de aluminio para
tratar el agua y se abre la posibilidad a nuevas tecnologías a bajo costo, inocuas para la salud
humana y respetuosa con el medio ambiente (Ramirez,2015). Actualmente para el proceso de
la coagulación son utilizadas sulfato de hierro, sulfato de aluminio entre otras. Sin embargo,
estos compuestos químicos son arrastrados durante la sedimentación de los lodos ya que estos
13
están constituidos por dichas sustancias que alteran los procesos naturales presentes en las
fuentes de aguas a las cuales son vertidos, estos lodos se generan en las etapas de coagulación-
floculación y sedimentación (Martinez et al. 2017) lo cual lo convierte en un problema tanto
ambiental como de salubridad humana, ya que estos compuestos provenientes del Aluminio
en grandes cantidades son tóxicos(Llopis,2002). El factor principal que hace cuestionar el uso
de este coagulante (sulfato de aluminio principalmente) es que el exceso de concentraciones de
aluminio en el cuerpo humano, está asociado con la aparición de enfermedades
neurodegenerativas (Nordberg, 1990). Dicho exceso de aluminio se puede dar por el aumento
de los niveles de aluminio en el agua potable, que puede ocurrir como resultado de la
acidificación o un inadecuado tratamiento de agua (Martinez et al. 2017). Por esta razón en la
actualidad se ha experimentado con bio-coagulantes (coagulantes de origen natural) en la
manera que se pueda reemplazar de forma más eficiente los coagulantes tradicionales en el
proceso de potabilización del agua y de esta manera prevenir los problemas en la salud humana.
En Colombia se han llevado a cabo investigaciones sobre la aplicación de coagulantes naturales
como semillas de soja, con eficiencias de remoción de turbiedad del 98.04% (Pinilla Caicedo,
2017). En Venezuela se llevó a cabo un estudio para evaluar la efectividad de coagulantes
obtenidos a partir de residuos de papa, en el cual se emplearon cascaras de papa previamente
tratadas, obteniendo porcentajes de remoción por encima del 97% en aguas de alta turbidez
(200 NTU) (Ferrer,2017). Existen diversas publicaciones que ratifican la alta eficiencia de los
bio-coagulantes. Los coagulantes naturales resultan de gran interés para muchos investigadores
debido a que son biodegradables, tienen un bajo costo, son de fuente abundante y son amigables
con el medio ambiente (Asrafuzzaman et al. 2011).
A partir de esta investigación, se busca encontrar una alternativa natural para la potabilización
de aguas que pueda reemplazar a los actuales coagulantes químicos. Se pretende que dicha
alternativa sea de bajo costo, fácil adquisición, que su uso no presente ningún riesgo para la
14
salud y que sean amigables con el ambiente, ya sea en agua para uso industrial, agrario o para
consumo humano.
En este estudio el trabajo experimental se llevó acabo en tres fases; inicialmente fue la
extracción del almidón de papa y preparación de la solución madre, las pruebas de jarras para
establecer las eficiencias del coagulante y por último la estandarización de la prueba con el
ensayo de mejor resultado el cual se presentó a una turbiedad inicial de 801 NTU, pH 5 y una
dosificación de 20 mL.
15
Planteamiento Del Problema
En Colombia se hace necesario la implementación de sistemas de potabilización de agua para
abastecer a la creciente población colombiana a largo plazo, dentro de la estrategia para la
implementación de los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) en Colombia, se muestra una
cobertura de distribución de agua potable para el año 2017 del 97,4% en suelo urbano, en
cuanto al acceso a agua potable en suelo rural para ese año fue del 73,2%, para un total nacional
del 92,4%.
La coagulación es una etapa crítica en el proceso de clarificación del agua, ya que ésta solo
puede conseguirse mediante la adición de un agente coagulante que en su mayoría son sales
metálicas y poli electrólitos sintéticos, los cuales al ser utilizados de manera inadecuada pueden
causar problemas de salud, y al no ser dispuestos adecuadamente se pueden convertir en un
problema ambiental, es necesario buscar fuentes naturales para la producción de un coagulante
accesible a comunidades de recursos limitados y que sean más amigables con el ambiente.
En gran parte del territorio colombiano se usa el sulfato de aluminio como coagulante
básicamente por su bajo costo, poniéndolo en comparación con otros compuestos para el
mismo fin. El uso de este tipo de compuestos químicos en dicho proceso tiene efectos en la
salud de las personas y en el ambiente, ya que intensifica las enfermedades neurodegenerativas
(kawhara, 2011). Los coagulantes naturales presentan nula toxicidad, por ello la
implementación de este tipo de coagulantes es necesaria e imprescindible teniendo en cuento
la realidad social y económica del país. En Colombia se refleja una problemática importante
en la calidad del agua suministrada a sus habitantes, en especial a las comunidades que se
ubican en las zonas rurales. En el 2018 el IRCA(índice de Riesgo de Calidad del Agua) fue de
18,3% para todo el país, clasificado como riesgo medio, en la cual la zona urbana el riesgo fue
bajo con un IRCA de 8.2, mientras que en la zona rural pasó de estar en riesgo medio en años
16
anteriores a riesgo alto en dicho año con un IRCA del 41,3% (Instituto Nacional de Salud,
2018). El problema se hace más evidente cuando los datos arrojados por el informe de INS, se
reporta que solamente el 52.2 % de los municipios colombianos ingieren agua sin riesgo o
riesgo bajo; por otra parte el 24.5 % de los municipios consumen agua con niveles de riesgo
alto y riesgo inviable sanitariamente. En gran parte, los municipios afectados no tratan
debidamente al agua por falta de recursos para el debido tratamiento, no tienen infraestructura
o no cuentan con el personal capacitado para ejercer estas labores.
17
Justificación
Los coagulantes naturales presentan nula toxicidad, por ello la implementación de este tipo de
coagulantes es necesaria e imprescindible teniendo en cuento la realidad social y económica
del país. Para llevar a cabo el proceso de clarificación del agua, se utilizan polímeros que se
añaden al agua como coagulantes, ayudantes de coagulación o de floculación. Los coagulantes
comúnmente utilizados son sales metálicas tales como sulfato de aluminio, el sulfato de
aluminio amoniacal, cloruro férrico y sulfato férrico. En las PTAP (Planta de Tratamiento de
Agua Potable), se emplea con mayor frecuencia el Sulfato de Aluminio Al2(SO4)3x18H2O
(Arboleda et al, 1975).
A pesar de que estos coagulantes químicos son empleados frecuentemente gracias a sus
porcentajes de remoción que van desde 90.64 % al 95.36 % (Restrepo, 2009), existen
desventajas que van de la mano con el uso de estos mismos como, efectos perjudiciales para la
salud humana, producción de grandes volúmenes de lodo y la alteración del pH del agua tratada
(Guzmán, 2013). La utilización del sulfato de aluminio en la clarificación del agua se ha
cuestionado últimamente, ya que, a pesar de ser uno de los coagulantes sintéticos más utilizados
en el tratamiento de aguas para consumo humano, tiene dificultad técnica de mantener estable
el pH óptimo de coagulación durante la operación (Cogollo, 2010). El factor principal que hace
cuestionar el uso de este coagulante, es la fuerte evidencia que relaciona los coagulantes a base
de aluminio con el desarrollo de la enfermedad de Alzheimer en seres humanos, la
contaminación máxima de aluminio permitida en agua potable es variable y dependiente del
país, teniendo valores que van de 0,03 a 0.2 mg/L de agua tratada (Cervantes, 2017). Un análisis
detallado demostró que una concentración entre 30 y 50 partes por millón de Aluminio
acumulado en el cuerpo humano repercutiría en una enfermedad neurodegenerativa como el
alzaimer (kawhara, 2011). Dicho exceso de aluminio se puede dar por el aumento de los
18
niveles de aluminio en el agua potable, que puede ocurrir como resultado de la acidificación o
un inadecuado tratamiento de agua (Gunnar,1990). Por estas razones es deseable sustituir los
coagulantes químicos a base de Aluminio por coagulantes de origen vegetal que puedan
contrarrestar los inconvenientes mencionados anteriormente.
Es fundamental desarrollar nuevas alternativas que incluyan la utilización de polímeros
naturales, que sean amigables con el medio ambiente e inofensivos para la salud humana, en la
clarificación de aguas en los procesos de potabilización del agua. Una de las grandes ventajas
que tiene el usar polímeros naturales es que estos poseen una alta biodegrabilidad y son
amigables con la salud humana, ya que en general los polímeros naturales presentan nula o baja
toxicidad (Kirchmer, 1975) y, en muchos casos son empleados como comestibles y aditivos en
diversos productos alimenticios. Además, debido a que los polímeros naturales en su gran
mayoría, pueden obtenerse fácilmente sin emplear procesos químicos complejos, es de saber
que su utilización resulta ser más llamativa que los polímeros sintéticos.
Durante muchos años se han empleado coagulantes y ayudantes de coagulación de origen
natural, como las semillas del árbol de Nirmalí empleadas en la India, granos tostados de maíz
(Zea mays), moringa oleífera Yongabi (Guzman et al, 2018), extractos de semillas de frijol
común (Phaseolus vulgaris) (Antov et al. 2007). Existe entonces, polímeros naturales
procedentes de América Latina, que podrían ser empleados para este propósito y se hace
sumamente importante ahondar estos estudios en especies nativas de cada región con
propiedades potenciales para la clarificación del agua, como es el caso de la papa criolla
(Solanum phureja) y papa pastusa (Solanum tuberosum cv. Parda Pastusa), las cuales tienen
altos contenidos de almidón, no hay estudios que demuestren toxicidad y son fáciles de adquirir
o producir en nuestra región. (Martinez, 2017)
19
Debido a que el sulfato de aluminio es el coagulante más empleado en el proceso de
clarificación de aguas, Su ingestión en concentraciones significativas de aluminio puede tener
efectos neurotóxicos y se ha planteado que es un factor de riesgo para el desarrollo de la
enfermedad de Alzheimer (kawhara, 2011). Por ende, se hace sumamente importante plantear
nuevas alternativas cuyo impacto en los procesos de tratamiento de aguas y en la salud humana
sean mininos. Se pretende ahondar el tratamiento de aguas, específicamente en el proceso de
coagulación con polímeros orgánicos de origen natural, ya que son considerados
ambientalmente amigables en comparación con los agentes orgánicos e inorgánicos debido a
su biodegradabilidad.
La especie estudiada en este trabajo investigativo es nativa de nuestra región y poseen un gran
potencial, ya que, al ser un polímero natural, tiene las características para funcionar como
coagulante o ayudante de coagulación en la clarificación de aguas. Los resultados del presente
trabajo servirán como base para futuras investigaciones, ya que existen muchas especies nativas
que poseen potencial para los procesos de tratamiento y las cuales deben ser investigadas.
20
1. Objetivos
1.1. Objetivo Principal
• Determinar la efectividad como coagulante a partir de almidón de papa criolla en
la clarificación de aguas utilizando muestras sintéticas por medio del test de
jarras.
1.2. Objetivos Específicos
• Obtener las soluciones madre de bio-coagulante de almidón de pulpa de papa criolla
mediante procedimientos de laboratorio.
• Determinar la dosis optima del extracto de almidón de papa criolla en diferentes
rangos de pH mediante el test de jarras.
• Estandarizar la prueba de mejor resultado aplicando los criterios estadísticos de
media, varianza, desviación estándar, coeficiente de variación y confiabilidad.
21
2. Marco conceptual
2.1 Marco teórico
2.1.1. Agua.
Según la RAE el agua es un líquido transparente, incoloro, inodoro e insípido en
estado puro, cuyas moléculas están formadas por dos átomos de hidrógeno y uno de
oxígeno, y que constituye el componente más abundante de la superficie terrestre y
el mayoritario de todos los organismos vivos. Dichos átomos se encuentran unidos
por enlaces covalentes muy fuertes que hacen que la molécula sea muy estable
(Carbajal, 2020).
Hoy día se sabe que la molécula de agua es el resultado de la composición de un
átomo de oxigeno con dos de hidrogeno; molécula aparentemente simple, pero cuyas
propiedades constituyen el fundamento mismo de la vida en la tierra (Velez,1992).El
átomo de oxígeno en la molécula del agua tiene un octeto estable de electrones de
valencia. Estos 8 electrones están agrupados en 4 pares. Dos de estos pares se
comparten con los dos átomos de H en la molécula y los otros dos son pares no
compartidos (Mahanan,2007). La molécula del agua es dipolar y esta tiene una forma
angular con el oxígeno colocado en el vértice y las uniones formando un Angulo de
aproximadamente 104.5° (Arboleda, 2000)
El carácter bipolar del agua impide que las sustancias que se disuelven en ella
conserven sus moléculas intactas. Al contrario, la disolución implica la ionización o
fraccionamiento de las moléculas en átomos o grupos de átomos con una carga
eléctrica positiva (cationes) o negativa (aniones), lo que la convierte en un buen
disolvente para los compuestos iónicos como sales, ácidos, bases y sustancias que
tienen átomos de H,O y N capaces de formar enlaces de hidrogeno. Esto se debe a
22
que en cuanto el soluto se dispersa, cada extremo de la molécula de la sustancia es
atraído por el dipolo de carga opuesta, lo que produce la ruptura molecular y la
consiguiente disociación iónica. Por tanto, debe tenerse muy presente que en el agua
no existen compuestos con su molécula entera, sino compuestos ionizados parcial o
totalmente. A los primeros se les llama electrolitos fuertes y a los segundos,
electrolitos débiles (Arboleda, 2000).
2.1.2. Agua para consumo humano.
Agua que, por reunir los requisitos organolépticos, físicos, químicos y
microbiológicos, en las condiciones señaladas en el presente decreto y demás normas
que la reglamenten, es apta para consumo humano. Se utiliza en bebida directa, en
la preparación de alimentos o en la higiene personal. (Decreto 1575, 2007).
El agua para consumo humano (potable) es aquella que por sus características
fisicoquímicas no representa riesgo alguno para el fin al que fue dispuesta. El agua
al ser considerada el solvente universal no puede encontrarse químicamente pura en
la naturaleza, debido a que esta entra en contacto con el suelo, la atmósfera y es muy
probable que adquiera elementos o sustancias que alteren su composición molecular
original. A pesar de que en muchas fuentes de agua se realizan naturalmente procesos
de filtración y limpieza del agua, estos procesos no aseguran tener un agua libre de
organismos patógenos y otras sustancias que puedan afectar la salud humana. Por
esta razón es fundamental caracterizar física, química y biológicamente las
propiedades de los cuerpos de agua y compararlos con las normativas vigentes de
cada país, para que posteriormente se realicen los tratamientos debidos para
garantizar las características requeridas para ser empleada óptimamente.
23
2.1.3. Calidad del agua
Es la descripción, evaluación y comparación de las características químicas, físicas
y microbiológicas encontradas en el agua, comparadas con el contenido de las
normas colombianas que la regulan (Decreto 1575, 2007). En Colombia según el
decreto 3930 de 2010, se reglamentan los usos del agua entre los cuales tenemos
agua para consumo humano y doméstico, preservación de flora y fauna, agrícola,
pecuario, recreativo, industrial, estético, pesca y navegación.
Se puede entender la calidad del agua como la capacidad intrínseca que tiene el agua
para responder a los usos que se podrían obtener de ella o desde un punto de vista
ambiental, como las condiciones que deben darse dentro del agua para que ésta
mantenga un ecosistema equilibrado. Estos dos puntos de vista son funcionales al
comparar los resultados con las normativas vigentes, además de realizar el respectivo
tratamiento para garantizar las características químicas, físicas y microbiológicas
que se requieran.
2.1.4. Parámetros de calidad del agua
Olor y sabor
Las algas y las bacterias son las principales causas de problemas con el olor y el
sabor del agua. Sin embargo, los vertidos químicos y de aguas residuales también
generan productos químicos que pueden alterar el olor y el sabor, tanto en aguas
superficiales como en aguas subterráneas (Cardenas,2005).
El olor dentro de una muestra de agua describe de manera cualitativa su calidad, la
ausencia de olor denotará un indicio de ausencia de contaminantes. Hay cuatro
sabores básicos: ácido, dulce, salado y amargo. El agua también puede oler a tierra,
moho, productos químicos o cloro (CEPIS, 2004).
24
Color aparente
Es producto de suspensiones no naturales que interfieren con la calidad del agua. El
color en el agua puede tener origen organico e inorgánico. Puede ser ocasionado por
la presencia de iones metálicos (Hierro, Manganeso), humus, lodo, arcilla, residuos
industriales, tal coloración debe ser eliminada del agua según su uso de acuerdo a la
normativa vigente (Goméz,1995).
Conductividad eléctrica
La conductividad, es la expresión numérica de la propiedad que tienen las soluciones
acuosas para transportar una corriente eléctrica, y que depende de la concentración
de sustancias disueltas ionizadas que en ella se encuentren, y de la temperatura a la
cual se haga la determinación. Por lo tanto cualquier cambio en las sustancias
disueltas, en la cantidad de los iones disueltos y en su valencia, implican el cambio
de la conductividad.
El valor de la conductividad se usa en el análisis de aguas, para obtener un estimado
rápido del contenido de sólidos disueltos. La unidad de medición utilizada
comúnmente es el Siemens/cm (S/cm), con una magnitud de 10 elevado a -6, es decir
microSiemens/cm (μS/cm), o en 10 elevado a -3, es decir, miliSiemens (mS/cm)
(Instituto de Hidrología, Meteorología y Estudios Ambientales, 2006).
Para fines prácticos se establece la siguiente relación:
Conductividad en μS/cm = ppm STD (Sólidos Totales Disueltos) X 2 (Rocha
Castro,2010).
25
Alcalinidad
En el agua puede definirse como su capacidad para neutralizar ácidos, de reaccionar
con iones hidrogeno, de aceptar protones, o como la medida total de sustancias
alcalinas (OH) como carbonatos, bicarbonatos e hidróxidos y algunas sales bases
que también contribuyen a la alcalinidad (Severiche Sierra, Castillo Bertel, &
Acevedo Barrios, 2013). Por lo general está presente en las aguas naturales como un
equilibrio de carbonatos y bicarbonatos con el ácido carbónico, con tendencia a que
prevalezcan los iones bicarbonato. De ahí que un agua pueda tener baja alcalinidad
y un pH relativamente alto o viceversa (Vargas, 2004).
Entre los compuestos que ocasionan alcalinidad al agua tenemos: Bicarbonato de
potasio (KHCO3), Bicarbonato de sodio (NaHCO3), Carbonato de Sodio
(Na2CO3) (Orellana, 2009).
Acidez
En el agua puede definirse como la capacidad de neutralizar bases, de reaccionar
con iones hidróxido (OH-), de ceder protones, o como la medida de contenido total
de sustancias ácidas.
La causa más común de la acidez en el agua se debe a la presencia de CO2, ácidos
minerales, ácidos fuertes y ácidos débiles, tales como el húmico, que se producen a
partir de procesos de descomposición de la materia vegetal, mediados por enzimas
bacterianas en procesos que ocurren en dos etapas: la primera consiste en la
descomposición de la materia vegetal en substancias más simples, seguido de la
síntesis de moléculas complejas de color amarillo pardo. Y la segunda etapa que
consiste en la transformación de cadenas alifáticas a compuestos aromáticos
26
aminados, donde los ácidos húmicos así generados presentan un carácter más ácido
que las fuentes de ácido carbónico (Parámetros físico - químicos del pH, 2002). De
igual forma se ha observado que productos de la hidrólisis de las sales de metales
como hierro, aluminio, y manganeso no contribuyen a la acidez del agua en forma
directa, pero en forma indirecta estas consumen el hidroxilo (OH-) presente en el
agua, formando hidróxidos insolubles. Los iones metálicos están cargados
positivamente, atrayendo hacia ellos pares de electrones no compartidos con la
molécula de agua, ocasionando que el enlace O-H se torne más polar, como
consecuencia las moléculas de agua que se unen al ion metálico, resultan ser más
ácidas que el resto de moléculas de la solución (Parámetros físico - químicos del pH,
2002).
Potencial de hidrogeniones pH
El pH es el parámetro de mayor relevancia en la calidad del agua, pH es la reacción
de auto ionización en sistemas acuosos generando reacciones acido-base. El agua,
según el modelo de Brönsted-Lowry es un anfótero: puede actuar como ácido y como
base pues es capaz de aceptar y donar protones, así que la reacción entre dos
moléculas de agua es una reacción entre un ácido y una base. Arrhenius planteó su
teoría (modelo) de acidez y basicidad estableciendo el concepto de disociación
iónica lo cual representó un gran parteaguas para esta ciencia. Él denominó
electrolitos a todas las sustancias que conducen la electricidad en solución acuosa, y
explicó el fenómeno de conducción postulando que estas sustancias parten sus
componentes en corpúsculos cargados eléctricamente, llamados iones. Definió los
ácidos como las sustancias que en disolución acuosa se disocian en iones H+ (H3O+)
más un anión y las bases como las sustancias que en disolución generan iones OH-
27
más un catión; finalmente, las sales son aquellas que también se disocian pero sólo
dan un anión y un catión, no iones hidroxilo o hidróxido (Pérez, 2016).
Para realizar las mediciones de pH se utiliza una escala que va de 0-14, donde los
valores inferiores a 7 se consideran ácidos, los valores de 7 como neutros y los
valores superiores a 7 como básicos. Según la normativa colombiana el pH aceptado
para agua consumo humano debe estar en un valor entre 6.5 y 9.0.
El pH es la variable más importante a tener en cuenta al instante de la coagulación,
para cada tipo de gua existe un rango de pH óptimo para una mayor eficacia en el
momento de la coagulación, ello depende de la naturaleza de los iones y gran parte
de la alcalinidad del agua. El rango de pH es función del tipo de coagulante a ser
utilizado y de la naturaleza del agua a tratar; si la coagulación se realiza fuera del
rango de pH óptimo entonces se debe aumentar la cantidad del coagulante; por lo
tanto, la dosis requerida es alta (Andía, 2000).
El pH influye en algunos fenómenos que ocurren en el agua, como la corrosión y las
incrustaciones en las redes de distribución (CEPIS,2004). Los datos de pH dan el
valor de la concentración del ión [H+] y por consiguiente el grado de acidez o de
alcalinidad que pueda tener el agua. Es importante aclarar que el pH no mide ni la
acidez ni la alcalinidad totales y que, solamente, sirve para saber si un agua
28
definitivamente no tiene acidez o no tiene alcalinidad o si coexisten ambas y,
además, que tipo de acidez o de alcalinidad predomina en el medio acuoso (Pérez,
1981).
El pH, la dosis del coagulante y la concentración de coloides son factores que se
interrelacionan íntimamente. La dosis que de coagulante que se aplique depende del
pH terminal del agua y de la concentración de coloides. Las aguas de más difícil
coagulación son las que tienen baja concentración de coloides (turbiedades menores
a 20 NTU) (Arboleda,2000).
Temperatura
La temperatura está determinada por la cantidad de energía calórica (ondas del
infrarrojo que es absorbida por un cuerpo de agua, es el promedio de la velocidad
media del movimiento de átomos, iones o moléculas en una sustancia o combinación
de sustancias en un momento determinado, Así, a mayor temperatura menor
solubilidad y viceversa. Un cuerpo de agua puede aumentar la solubilidad en cerca
de un 40% al bajar la temperatura de 25ºC a 0ºC; esto se debe a que el agua, las
moléculas se unen más, reteniendo, por tanto, mayor cantidad de oxígeno. Un cuerpo
de agua posee 14.6mg/L de oxígeno a 0ºC puede bajar su concentración a 6.4mg/L
a 40ºC (Roldán, 2003).
Turbiedad
La turbidez del agua se genera por la presencia de partículas en suspensión. La
velocidad de sedimentación de las partículas pequeñas (menores al micrón de
diámetro) es muy baja, por lo que requieren tratamiento para lograrla en tiempos
útiles. Las mayores a un micrón sedimentan espontáneamente. Mientras algunas son
de naturaleza inorgánica (arcillas, fangos y óxidos minerales), que provienen de la
29
erosión del suelo, otras son de naturaleza orgánica (bacterias, parásitos, algas,
zooplancton, ácidos fúlvicos y coloides húmicos). Además de las fuentes naturales,
las actividades humanas generan efluentes cargados de estas partículas y el aporte
de otras sustancias que pueden combinarse con ellas (virus entéricos, contaminantes
químicos, cloro, etc) tanto en el cuerpo de agua como en las plantas y redes de
distribución. Según el tamaño, y la composición físico-química dependientes del
agua serán los tratamientos efectivos para eliminarlas (PEREZ LOPEZ y
MARISCAL LARRUBIA, 1999)
2.2. Procesos y operaciones de clarificación de aguas.
Los conceptos asociados con clarificación de agua (coagulación, Floculación y
sedimentación) son los principalmente usados en el desarrollo de esta investigación por
lo cual se describen a continuación.
2.2.1. Clarificación de aguas
Es el conjunto de procesos dentro del tratamiento de potabilización de agua que se
utiliza para remover la turbiedad, está constituido por cuatro procesos, coagulación,
Floculación y sedimentación. La finalidad de estos procesos es remover las
partículas coloidales presentes en el agua.
2.2.2. Coloides
Los coloides son suspensiones estables, por lo que es imposible su sedimentación
natural, son sustancias responsables de la turbiedad y del color del agua
(SEDAPAL,) según Graham, el término coloide significa "gelatinoso" y fue dado a
las dispersiones de proteínas, al comprobar que no se comportan como verdaderas
soluciones. Los coloides tienen dimensiones que varían entre 1 μm y 1000 μm y una
de las propiedades que más distingue a las dispersiones coloidales, es el que no
30
pueden sedimentarse, aun cuando las partículas sean más densas que el líquido que
las rodea.
Existen ocho clases de disoluciones coloidales, entre las cuales tenemos las
substancias dispersas que pueden están en estado sólido, liquido o gas y las
sustancias dispersantes que están en los mismos 3 estados. En el caso de la
coagulación la disolución coloidal que más nos interesa es la dispersión del solido
en líquido, debido a que esta es la que forma gran parte de la turbiedad y color
ordinario en el agua (Arboleda,2000).
(Arboleda,2000) presenta 6 clasificaciones para los sistemas coloidales. Los coloides
moleculares, que están constituidos por substancias poliméricas, formadas por largas
cadenas orgánicas; los coloides de asociación o micelares que se forman por
asociación de moléculas más pequeñas de minerales (como el oro) o compuestos
orgánicos (como jabones y detergentes); los coloides liofílicos (hidrofilicos cuando
se refieren al agua) y que están constituidos por las dispersiones moleculares de
substancias poliméricas o aglutinadas en tamaño coloidal, que tienen una fuerte
atracción con el solvente y reaccionan químicamente con el agua (jabones, materia
orgánica encontrada en el agua); los coloides liofóbicos están formados por
substancias insolubles en el dispersante (arcillas, metales) y son mucho más
inestables; los diuturnos son aquellos que no se modifican o se aglutinan durante
mucho tiempo comparado con el periodo de observación; los coloides caducos son
los transitorios que se aglutinan o cambian rápidamente. Los coloides, además,
pueden ser orgánicos como las proteínas o las grasas, o inorgánicos como el oro o
las arcillas minerales.
31
Las principales propiedades que definen el comportamiento de los coloides en el
agua son las cinéticas, ópticas, de superficie y electrocinéticas (Arboleda,2000)
(Barrenechea Martel, 2004). Las propiedades cinéticas son las que definen el
comportamiento de las partículas coloidales referidas al movimiento del agua. Entre
las propiedades cinéticas tenemos el Movimiento Browniano, que es el fenómeno
por el cual las partículas coloidales, dentro de la fase líquida, presentan un
movimiento constante y desordenado. Otra propiedad cinética de los coloides es la
Difusión, que es el fenómeno por el las partículas coloidales se difunden y se
distribuyen uniformemente debido al movimiento incesante de estas, debido al
movimiento Browniano. La Velocidad de difusión es menor que la velocidad media
de las partículas en el movimiento browniano. La presión osmótica se da Debido al
movimiento Browniano, si la concentración de partículas en un líquido no es
uniforme, se produce un flujo de material desde las zonas de alta concentración hacia
las de baja concentración hasta alcanzar un equilibrio. Este fenómeno ocurre en
forma espontánea. Al transporte del solvente hacia la solución se le denomina flujo
osmótico.
2.2.3. Coagulación y floculación
La coagulación-floculación es en conjunto el proceso por el cual las partículas se
aglutinan en pequeñas masas con peso específico superior al del agua llamado floc.
El proceso coagulación-floculación es importante debido a que remueve la turbiedad
orgánica e inorgánica que no se puede sedimentar rápidamente, remueve color
verdadero y aparente, elimina bacterias, virus y organismos patógenos susceptibles
de ser separados por coagulación, destruye algas y plancton en general y elimina
substancias productoras de sabor y olor en algunos casos (Arboleda,2000).
32
La coagulación es el proceso de desestabilización química de las partículas
coloidales que se producen al neutralizar las fuerzas que los mantienen separados,
por medio de la adición de los coagulantes químicos y la aplicación de la energía de
mezclado (SEDAPAL,2000). La coagulación comienza en el mismo instante en que
se agregan los coagulantes al agua y dura solamente fracciones de segundo.
Básicamente consiste en una serie de reacciones físicas y químicas entre los
coagulantes, la superficie de las partículas, la alcalinidad del agua y el agua misma
(Arboleda,2000). En las plantas de tratamiento, la coagulación se lleva a cabo en la
unidad denominada mezcla rápida (Chulluncuy Camacho,2011). Al adicionar el
coagulante dentro del primer minuto, se comienza a formar un floc minúsculo
alrededor de partículas de turbidez. Este hecho hace que la agitación rápida sea
necesaria para la incorporación del coagulante a la masa de agua, no debe
prolongarse por más de 1 minuto pues si se prolonga por un tiempo mayor, existe el
peligro de romper el floc incipiente (Silva,2007). Tres mecanismos pueden actuar en
el primer fenómeno: el de adsorción-desestabilización basado en las fuerzas
electrostáticas de atracción y repulsión, el del puente químico que establece una
relación de dependencia entre las fuerzas químicas y la superficie de los coloides, y
el de sobresaturación de la concentración de coagulantes en el agua (Arboleda,2000).
Los factores que influyen en la coagulación y que son necesarios en casos en donde
se quieran optimizar este proceso son el pH, la turbiedad, las sales disueltas,
temperatura del agua, tipo de coagulante utilizado, condiciones de mezcla, sistemas
de aplicación de los coagulantes, tipos de mezcla y el color (SEDAPAL,2000).
Por otro lado, la floculación es el fenómeno por el cual las partículas ya
desestabilizadas chocan unas con otras para formar coágulos mayores. En esta etapa,
33
a diferencia de la anterior, es necesaria una agitación también homogénea y muy
lenta, con objeto de no romper los flóculos que se forman, lo que se denomina mezcla
lenta. El tiempo de residencia es de 10-30 min (Rios,2010). El transporte de
partículas(floculación) se debe distinguir entre la floculación ortocinética y la peri
cinética. La floculación ortocinética Se basa en las colisiones de las partículas debido
al movimiento del agua, el que es inducido por una energía exterior a la masa de
agua y que puede ser de origen mecánico o hidráulico. La segunda es la promovida
internamente dentro del líquido por el movimiento de agitación de las partículas
(movimiento browniano) y la sedimentación.
Mecanismos de Coagulación
2.2.3.1 Adsorción y neutralización de cargas
Las partículas coloidales poseen carga negativa en sus superficie, estas cargas
llamadas primarias atraen los iones positivos que se encuentran en solución
dentro del agua y forman la primera capa adherida al coloide. El potencial en la
superficie del plano de cizallamiento es el potencial electrocinético potencial
ZETA, este potencial rige el desplazamiento de coloides y su interacción mutua.
Después de la teoría de la doble capa la coagulación es la considerada
como la anulación del potencial obtenido por adición de productos de
coagulación-floculación, en la que la fuerza natural de mezcla debido al
movimiento browniano no es suficiente requiriéndose una energía
complementaria necesaria; por ejemplo realizar la agitación mecánica o
hidráulica. Cuando se adiciona un exceso de coagulante al agua a tratar, se
produce la reestabilización de la carga de la partícula; esto se puede explicar
debido a que el exceso de coagulante son absorbidos en la superficie de la
partícula, produciendo una carga invertida a la carga original (Nahum, 2014).
34
Punto de carga cero
El punto de carga cero, P.C.C, se define como el valor del pH en el cual la carga
neta total (externa e interna) de las partículas sobre la superficie del material
adsorbente es neutra, es decir, el número de sitios positivos y negativos es igual
(Franks &Meagher, 2003); mientras que el punto isoeléctrico, IEP, se define
como el valor correspondiente a las cargas superficiales externas del material.
Estos parámetros son muy valiosos para determinar la afinidad particular de un
determinado adsorbente por un adsorbato específico (Babic et al., 1999).
2.2.3.2 Adsorción y puente químico
La coagulación también puede realizarse empleando una gran variedad de
compuestos orgánicos sintéticos y naturales caracterizados por grandes cadenas
moleculares, que presentan sitios ionizables a lo largo de la cadena y de actuar
como coagulantes. Estos polímeros pueden ser clasificados como catiónicos
(presentan sitios ionizables positivos), aniónicos (presentan sitios ionizables
negativos), no iónicos (no presentan sitios ionizables) y afolíticos (presentan
sitios ionizables positivos y negativos).
Se ha observado que muchas veces los polímeros con carga negativa son efectivos
para coagular coloides con carga negativa, fenómeno que no puede ser explicado
de acuerdo con modelos basados en la neutralización de cargas
(Barrenechea,2004) . El modelo del puente químico también explica la relación
que existe entre la cantidad de superficie disponible o cantidad de coloides y la
cantidad de coagulantes agregados. Además, se puede comprender el hecho de
que en muchos casos se obtenga coagulación con polímeros que tienen una carga
igual a la de los coloides (Arboleda,2000).
35
Figura 1. Representación esquemática para el modelo de puentes en la coagulación de coloides mediante
polímeros. Fuente: Berrenchera, 2004
2.2.4. Sedimentación
Una vez coagulada y floculada el agua, el problema consiste en separar los sólidos
del líquido o sea las partículas floculantes del agua, donde están suspendidas. Esto
se logra mediante la sedimentación, filtración o la combinación de ambos procesos
(Perez,1981). La sedimentación remueve las partículas más densas, mientras que la
filtración remueve aquellas partículas que tienen una densidad muy cercana a la del
36
agua o que han sido re suspendidas y, por lo tanto, no pudieron ser removidas en el
proceso anterior(Maldonado,2004).
La sedimentación es el proceso físico mediante el cual las partículas en suspensión
presentes en el agua son removidas o separadas del fluido, debido al efecto de la
gravedad. Dichas partículas deberán ser más densas que el agua, y el resultado que
se obtenga será un fluido clarificado y una suspensión más concentrada (Chulluncuy
Camacho,2011).
Las partículas en suspensión sedimentan en diferente forma, dependiendo de las
características de las partículas, así como de su concentración. Es así que podemos
referirnos a la sedimentación de partículas discretas, sedimentación de partículas
floculentas y sedimentación de partículas por caída libre e interferida. Se denomina
sedimentación simple cuando las particulas que se asientan son discretas, o sea las
partículas que no cambian de forma, tamaño o densidad durante el descenso en el
fluido(Perez,1981). Las partículas floculentas son aquellas producidas por la
aglomeración de partículas coloides desestabilizadas a consecuencia de la aplicación
de agentes químicos. A diferencia de las partículas discretas, las características de
este tipo de partículas (forma, tamaño, densidad) sí cambian durante la caída. La
sedimentación por caída libre se da cuando existe una baja concentración de
partículas en el agua, éstas se depositan sin interferir. La sedimentación por caída
interferida se da cuando hay altas concentraciones de partículas, que producen
colisiones que las mantienen en una posición fija y ocurre un depósito masivo en
lugar de individual (Maldonado 2004).
37
2.3. Coagulantes
Los coagulantas son productos químicos que al adicionar al agua son capaces de
producir una reacción química con los componentes químicos del agua, especialmente
con la alcalinidad del agua para formar un precipitado voluminoso, muy absorbente,
constituido generalmente por el hidróxido metálico del coagulante que se está
utilizando. (Beltran,2012).
Los coagulantes se podrían clasificar en 2 grupos: los polielectrolitos o ayudantes de
coagulación y los coagulantes metálicos. Ambos grupos básicamente actúan como
polímeros además de la carga eléctrica que poseen.
2.3.1. Coagulantes poliméricos (Polielectrolitos)
En los polielectrolitos las cadenas poliméricas ya están formadas antes de agregarse
al agua. En los metálicos la polimerización inicia cuando se pone el coagulante en el
agua. Los que se usan en plantas de tratamiento son compuestos de alto peso
molecular (10^4 y 10^7) que se aplican en muy pequeñas concentraciones (0.01 a
1.0 mg/l) lo que compensa parcialmente su alto precio. La razón para usar bajas dosis
está en la cantidad tan enorme de segmentos que ellos poseen. Un polímero puede
tener o no carga eléctrica. Los que no la tienen se llaman no iónicos, los que la tienen
pueden ser catiónicos (carga positiva) o aniónicos (carga negativa) y, debido a la
multiplicidad de grupos iónicos presentes en las cadenas poliméricas, reciben el
nombre· genérico de polielectrolitos (Arboleta,2000).
2.3.2. Polímeros naturales
Los coagulantes naturales son extraídos de especies naturales, para el tratamiento de
aguas data de varios milenios y, continuamente se hacen estudios que permiten
identificar la potencialidad de distintas plantas para este propósito, y que permitan
38
disminuir el uso de sustancias químicas sintéticas, así como la producción de lodos
biodegradables (Shangi,2002).
En su mayoría son de origen vegetal, con presencia de agentes coagulantes activos
como carbohidratos, taninos y proteínas. Algunas especies vegetales que presentan
estudios realizados son las semillas de una enorme variedad plantas como las
semillas de maíz y Nirmali (Raghuwanshi et al., 2002), Jatropha curcas (Abidin et
al., 2011), el frijol común (Antov et al., 2010), Cassia obtusifolia (Sanghi et al.,
2002), papa (Ferrer, 2016) entre otros.
Su problema consiste en producir a partir de ellos compuesto solubles en agua
(Arboleda,2000). La mayor desventaja del uso de almidones en plantas de
tratamiento es la insolubilidad en agua fría. Si se le mezcla con esta, se obtiene una
lechada de almidón que sedimenta en corto tiempo (Cepis,1975). El almidón a ser
utilizado en investigaciones, en ensayos de laboratorio y en plantas de tratamiento
de agua, debe ser sometido previamente a un proceso inicial para lograr su
gelatinización. En los primeros ensayos realizados en la EESC-USP fue utilizada la
técnica de gelatinización en caliente y recientemente, inclusive en aplicaciones en
plantas de tratamiento, ha sido empleada la técnica de gelatinización con hidróxido
de sodio (Campos,1991).
2.3.3 Propiedades de los almidones
Hinchamiento, gelatinización y retrogradado
La ruptura de la estructura del grano de almidón, en presencia de agua caliente, se
desarrolla en tres fases distintas. Durante la primera fase, ocurre apenas un
hínchamiento limitado y la viscosidad de la suspensión no aumenta de manera
sensible. El grano, conserva aún su apariencia y, después del secado, no es posible
39
notar gran alteración. Cuando se sobrepasa una temperatura próxima a 65°C (la
temperatura exacta depende de la naturaleza del almidón), se inicia la segunda fase
del hinchamiento. En esta fase, el grano aumenta su volumen muchas veces en
relación con su volumen original y la viscosidad de la suspensión aumenta en forma
significativa. El grano pierde su estructura original y al mismo tiempo ocurre la
solubilización de una pequeña parte de su contenido. Durante la tercera fase, que
ocurre a temperaturas aún más elevadas, evolucionan en forma más acentuada los
fenómenos observados durante la segunda fase. El calentamiento prolongado
provoca, en esta tercera fase, la reducción de la viscosidad de la
solución(Campos,1981).
2.4. Papa (solanum phujera)
La papa criolla es uno de los principales recursos genéticos de Colombia, considerada
una especie promisoria exportable, con una importante evolución en las fases de
producción y procesamiento en los últimos 15 años. La hoy denominada variedad
Criolla Colombia es un cultivar diploide, registrado ante el Instituto Colombiano
Agropecuario (ICA) en 2004 por parte de la Universidad Nacional de Colombia a partir
de la selección de un clon de flor roja, conocido como clon uno, seleccionado por
Fedepapa de la multivariedad yema de huevo (Solanum phureja Juz. et Buk.).
Corresponde a un producto autóctono, con tubérculo de color amarillo, de forma
redonda, culinariamente muy versátil y de alto valor nutricional (Rodríguez, 2015).
40
Tabla 1. Clasificación taxonómica de la papa criolla. Fuente: Luján, 1990
Solanum phureja, conocida en Colombia como papa criolla, es una especie diploide,
originaria de América del Sur, cultivada en la zona oriental de los Andes generalmente
a alturas entre los 2.000-3.400 msnm. Se distribuye geográficamente desde el noreste
de Bolivia, pasando por los Andes peruanos, Ecuador, Colombia hasta parte de
Venezuela; no obstante, su mayor diversidad genética se encuentra en el sur de
Colombia (Zapata2006). La papa criolla se produce en diferentes regiones de Colombia,
principalmente en las zonas interandinas, ya que las condiciones climáticas son
adecuadas para la producción de la misma. Su calidad depende del microclima, altitud,
radiación solar y humedad durante el ciclo de producción, para Colombia constituye un
recurso genético de gran importancia ya que se han identificado una diversidad de
genotipos con altos contenidos de proteína y materia seca los cuales son vitales para
una producción industrial (Rodríguez et al., 2003). Tanto la pulpa como la cáscara de
la papa contienen sustancias antioxidantes, se ha demostrado que la mayoría de los
compuestos fenólicos se encuentran en la cáscara, derivados mayoritariamente del ácido
caféico y ácido ferúlico, estimulando así el aprovechamiento de este subproducto en la
industria alimentaria (Akyol et al., 2016). Los antioxidantes cumplen funciones
protectoras frente a desórdenes propios del equilibrio redox del organismo,
disminuyendo los efectos adversos que causan radicales libres, principalmente las
41
especies reactivas de oxígeno que se derivan de la respiración celular. La determinación
de la capacidad antioxidante in vitro de un alimento proporciona una medida de su
poder redox o comportamiento antirradical dentro de los tejidos y células corporales
tras situaciones de estrés oxidativo (Bianchi y Falcioni, 2016).
La composición fisicoquímica de la papa criolla (solanum phujera) según el trabajo de
(Cerón,2017), el análisis fisicoquímico mostró variaciones genotípicas significativas en
muestra cruda.
Humedad 72,06% - 77,07%
Cenizas 0,96% - 2,56%
Proteínas 6,95% - 11,38
Almidón 14,44 % - 22,4%
Azúcares totales 16,38% -23,67%
Azúcares Reductores 0,88% - 3,8 %
Tabla 2. Análisis físico- químico papa criolla. Fuente: Cerón, 2017
El almidón de papa está compuesto por amilopectina en un 80% y amilasa en un 20%,
siendo esta última más soluble en agua. Además de tener en su composición pequeñas
cantidades de fósforo en forma del grupo éster del ácido fosfórico, su carga le imparte
el carácter de polielectrolito, convirtiéndolo en un insumo capaz de ser usado como
coagulante (CEPIS, 1975).
42
3. Metodología
3.1. Procedimientos llevados a cabo para la extracción del almidón de la pulpa de
papa criolla y preparación de buffers.
Los materiales, equipos y reactivos usados durante la experimentación se encuentran
descritos en el Anexo 1 Materiales, Equipos y Reactivos usados.
3.2. Procedimientos
Lavado y pelado
Llevar muestra de materia prima a lavar con abundante agua potable, para eliminar
los residuos e impurezas que pueden presentar debido a su origen y el tratamiento
que se le da en su comercialización. Retirar la cáscara con un pelador de papa,
teniendo precaución de traer consigo la menor cantidad de pulpa.
Figura 2. Procedimiento de lavado de papa criolla. Fuente: Autores
Rayado y tamizado
La pulpa se raya con un rayador de cocina convencional, triturar la pulpa de papa
para reducirla a pequeños trozos y tamizar con un tamiz de tela exprimiendo
fuertemente para separar el almidón de la celulosa.
43
Figura 3. Proceso de rayado de pulpa de papa criolla. Fuente: Autores
Sedimentación
Al líquido obtenido después del tamizado, agregar agua potable hasta aforar el tubo
de centrifugado a un 1 litro. Dejar sedimentar en un tubo de centrifugado de 1 litro
por un tiempo de 2 horas, en donde posteriormente se separa el sobrenadante,
dejando únicamente el sedimento.
Figura 4. Proceso de sedimentación del almidón de pulpa de papa criolla. Fuente: Autores
Secado
Secar el extracto de almidón sedimentado a 40° C durante 48 horas, según lo
recomendado por (Estrada,2018).
44
Figura 5. Proceso de secado del almidón pulpa de papa criolla. Fuente: Autores
Molienda y tamizado
La pulpa se raya con un rayador de cocina convencional, triturar la pulpa de papa
con ayuda de un molino de la marca IKA MULTIDRIVE Basic automático y tamizar
con un tamiz de pruebas estándar en acero de poro 0.5 mm.
Figura 6. Proceso de molienda y tamizado de almidón de papa criolla. Fuente: Autores
Almacenamiento
Almacenar en bolsas plásticas herméticas resellables y refrigerar al una
temperatura de 4 ºC.
45
Figura 7. Proceso de almacenamiento almidón pulpa de papa criolla en seco. Fuente: Autores
3.3. Preparación de Buffers
Buffer de acetatos pH 5
Solución A (CH₃-COOH 0,2M): disolver 11,55 ml de CH₃-COOH glacial en agua,
aforar a 1 litro.
Solución B (C2H3NaO2 0,2 M): disolver 27,2 g de CH3COONa.3H2O, aforar a 1 litro.
Realizar una solución, con 220 mL de la solución A y 280 mL de la solución B,
aforar a un litro con agua en un beaker, comprobar el pH del buffer con ayuda del
pHmetro.
Buffer de Fosfatos pH 6, 7 y 8
Solución A (NaH2PO4 0,2 M): disolver 27.6 g de NaH2PO4 . H2O en agua, aforando
a un litro con agua en un beaker.
Solución B (Na2HPO4 0,2 M): 53.65 g de Na2HPO4. 7 H2O se disuelven en agua,
aforando a un litro con agua en un beaker.
Para pH 6 realizar una solución, con 438 mL de la solución A y 62 mL de la solución
B, aforar a un litro con agua en un beaker, comprobar el pH del buffer con ayuda del
pHmetro.
46
Para pH 7 realizar una solución, con 195 mL de la solución A y 305 mL de la
solución B, aforar a un litro con agua en un beaker, comprobar el pH del buffer con
ayuda del pHmetro.
Para pH 8 realizar una solución, con 100 mL de la solución A y 400 mL de la
solución B, aforar a un litro con agua en un beaker, comprobar el pH del buffer con
ayuda del pHmetro.
3.4. Preparación de agua turbia sintética
De acuerdo con (Okada, 2001), Preparar la solución madre: disolver 10 gramos de
caolín en 1 litro de agua potable. Posteriormente agitar esta solución durante 1 hora
dejar reposar 24 horas para completar la respectiva hidratación de las partículas de
Caolín. A partir de esta solución trabajar las diferentes diluciones con agua potable
para alcanzar las respectivas turbiedades, las cuales deben ser verificadas con el
turbidímetro.
3.5. Preparación solución madre
Para la suspensión de almidón (solución madre), seguir la metodología recomendada
por (campos,1981) para laboratorio.
La solución tiene una concentración del 1% masa volumen, disponer de un balón
aforado de 1000 mL, al cual se añade agua destilada hasta la mitad de su capacidad;
seguidamente agregar 10 g del extracto de almidón obtenido de la pulpa de papa criolla,
inmediatamente aforar. Posteriormente, introducir un agitador magnético y poner la
solución en una plancha de agitación por 2 horas a una temperatura de 65 C°.
47
3.6. Test de jarras
Agregar 400 mL de la muestra de agua sintética turbia alternando las variables de ph,
turbiedad y dosificación como se muestra en la tabla 3, en beakers de 600 ml, ubicar
un recipiente en cada lugar del equipo de jarras, empezar el proceso de test de jarras
con la mezcla rápida a 120 rpm, agregar las dosificaciones de coagulante 2 mL, 4mL,
10 mL y 20 mL en el ensayo correspondiente como se muestra en la tabla 3. Se debe
realizar la mezcla rápida por 1 minuto, al cabo del minuto bajar la velocidad a 40 rpm
por 15 minutos, dejar reposar por 15 minutos más.
3.7. Parámetros estadísticos utilizados
Los parámetros estadísticos se utilizan para determinar a nivel cuantitativo la
estandarización de los procedimientos metodológicos y ensayos experimentales. Los
parámetros utilizados en esta investigación son las medidas de tendencia central y de
dispersión.
3.7.1. Medidas de tendencia central
Son medidas estadísticas que se usan para describir cómo se puede resumir la
localización de los datos. Ubican e identifican el punto alrededor del cual se centran
los datos. Las medidas de tendencia central nos indican hacia donde se inclinan o se
agrupan más los datos. Las más utilizadas son: la media, la mediana y la moda. La
media o media aritmética es la medida de tendencia más conocida y usada,
usualmente llamada promedio, se obtiene sumando todos los valores de los datos y
divide el resultado entre la cantidad de datos. Si los datos proceden de una muestra
la media se representa con una x testada (x) y si provienen de la poblacion se
representan con la letra griega miu (µ) (Salazar, 2018).
48
Ecuación 1. Media aritmética. Fuente: Mode, 1990
3.7.2. Medidas de dispersión
Las medidas de dispersión están encaminadas a cuantificar lo próximos o alejados
que están los datos de la muestra de un punto central. Estas medidas indicarán por
un lado el grado de variabilidad que hay en la muestra y, por otro, la
representatividad de dicho punto central, ya que si se obtiene un valor pequeño, eso
significará que los valores se concentran en torno a ese centro (por lo que habrá poca
variabilidad y el centro representará bien a todos). En cambio, si se obtiene un valor
grande, significará que los valores no están concentrados, sino dispersos (por lo que
habrá mucha variabilidad y el centro no será muy representativo). Las más utilizadas
son la varianza, la desviación estándar y el coeficiente de variación, La varianza se
representa como “s2”; la desviación estándar es la raíz cuadrada de la varianza, se
representa como “s”(Quevedo, 2011). La varianza de una variable X, se define como
el valor esperado del cuadrado de la desviación de la media aritmética (Mode, 1990).
Ecuación 2. Varianza. Fuente: Ross y Valdes, 2007
Ecuación 3. Coeficiente de variación. Fuente: Mode, 1990
49
En estadística, cuando se desea hacer referencia a la relación entre el tamaño de la
media y la variabilidad de la variable, se utiliza el coeficiente de variación. Su
fórmula expresa la desviación estándar como porcentaje de la media aritmética,
mostrando una mejor interpretación porcentual del grado de variabilidad que la
desviación típica o estándar.
Ecuación 4. Coeficiente de variación. Fuente: Mode, 1990
La confiabilidad en último lugar, garantiza la validez y la precisión del análisis
estadístico. Se relaciona con la reproducción de los resultados tantas veces como sea
necesario.
Ecuación 5. Confiabilidad. Fuente: Ross y Valdés, 2007
3.8. Diseño Experimental
Con el objeto de determinar la efectividad como coagulante del almidón de papa criolla,
se emplea un diseño experimental en el que se mantienen constantes dos condiciones
que son: almidón de papa utilizando solo pulpa. Se emplea un modelo factorial en el
cual se manejaron 3 variables, que determinan las condiciones de las pruebas y las
cuales fueron: pH, turbiedad y dosificación.
50
Según el modelo experimental de la tabla 6, se va a realizar un total de 64 ensayos
diferentes y preparar según las diferentes combinaciones de los factores trabajados
como se evidencia la tabla 6. Emplear el tipo de extracto (almidón de pulpa de papa
criolla), por cada extracto se manejará 4 pH diferentes (5, 6, 7 y 8), cada pH se va a
trabajar con 4 turbiedades de agua sintética (200, 400, 600 y 800 NTU), y a las
diferentes turbiedades de agua turbia sintética, adicionar 4 dosis diferentes (2, 4, 10 y
20 ml). Finalmente se realizan 16 pruebas de réplica con el extracto de almidón de papa
criolla y dosis de mejor resultado de eficiencia aplicando los criterios estadísticos de
media, varianza, desviación estándar, coeficiente de variación, porcentaje de dispersión
para determinar el porcentaje de confiabilidad.
Coagulante natural Bufer ph
Turbiedad inicial
(NTU) Dosificación ml
Extracto de almidón pulpa
acuoso 5 200
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 5 400
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 5 600
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 5 800
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 6 200
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 6 400
2
4
10
20
6 600 2
51
Extracto de almidón pulpa
acuoso
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 6 800
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 7 200
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 7 400
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 7 600
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 7 800
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 8 200
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 8 400
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 8 600
2
4
10
20
Extracto de almidón pulpa
acuoso 8 800
2
4
10
20
Tabla 3. Diseño experimental extracto almidón de papa criolla. Fuente: Autores
52
4. Resultados y analisis
Los resultados de la eficiencia de remoción de turbiedad se especifican en los gráficos
1 a 8, en principio se detallan los resultados de la eficiencia de almidón extraído de la
pulpa de papa criolla agrupados por buffer de pH en un rango de 5 – 8, además de los
Rangos de turbiedad utilizados. Por último, se presenta la estandarización del mejor
resultado en términos de remoción de turbiedad.
4.1. Rendimiento en seco del extracto de pulpa.
En la siguiente tabla se puede apreciar los pesos correspondientes a la materia prima,
que en este caso fue la pulpa de papa criolla y los rendimientos del extracto de esta al
ser sometida a secado para la eliminación de la totalidad de su humedad.
Masa papa criolla 2000 g
Masa pulpa antes del secado 1613 g
Masa materia seca 323.7 g
Masa materia seca tamizada 289.7 g
Tabla 4. Peso extracción del almidón. Fuente: Autores
Se trabajó inicialmente con 1613 gramos de pulpa, los cuales fueron sometidos a
secado. Una vez eliminada la humedad de nuestra materia prima se obtuvo un
rendimiento de materia seca del 20.1%, lo que concuerda con algunos trabajos, quienes
concluyen la papa criolla posee cerca del 20% al 22% de materia seca al llevar a cabo
el proceso de eliminación total de humedad, de los cuales la mayor parte de su contenido
(entre el 50-90 %) suele ser el almidón (Ramirez,2011 y Cerón, 2018) . El porcentaje
de materia seca efectivo fue de 18%, perdiendo 2 unidades debido a que fue sometida
a un proceso de triturado- tamizado en el cual solo se emplearon las partículas más
finas.
53
4.2. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH
5.
El almidón extraído de papa criolla en la solución de agua turbia sintética realizada con
buffer de pH 5 presentó eficiencias por encima 85 % como lo reflejan la figura 8 y 9,
se evidencia la eficiencia más alta con una dosis de 20 ml a una turbiedad inicial de
801 NTU y turbiedad final de 10.44 NTU arrojando un resultado de eficiencia en
remoción del 98.70 %.
Figura 8. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 614-801 NTU a pH 5. Fuente: Autores
54
Figura 9. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 214-395 NTU a pH 5. Fuente: Autores
Los porcentajes de remoción del almidón de papa criolla con agua turbia sintética a pH
5 son los mejores de todos los pH utilizados, superando el 90 % de eficiencia en el
rango de turbiedad de 614-801 NTU como lo evidencia la figura 8. En los rangos de
214-395 NTU disminuye, pero sigue presentando eficiencia de remoción por encima
del 80 %. Agrupando las cuatro turbiedades trabajadas se observan mejores resultados
a medida que se aumenta la dosis de coagulante, exceptuando la turbiedad de 214 NTU
en donde la dosificación más alta 20 ml reduce la eficiencia de remoción, empezando
con una turbiedad de 214 NTU y terminando con una turbiedad de 31.1 NTU
evidenciando eficiencia del 85.47 %.
4.3. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH 6
Los porcentajes de remoción del almidón de papa criolla dentro del agua turbia sintética
a pH 6 disminuyen considerablemente ya que como se observa en las figuras 10 y 11
solamente una prueba supera el 50 % de remoción, con la dosificación de 20 ml a 801
NTU de turbiedad se obtuvo una eficiencia del 51.19 % terminando con una turbiedad
55
final de 391 NTU. Se evidencia en las gráficas 3 y 4 la tendencia de aumento de la
remoción de turbiedad a medida que la dosificación también se aumenta.
Figura 10. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 614-801 NTU a pH 6.
Fuente: Autores
Figura 11. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 214-395 NTU a pH 6.
Fuente: Autores
56
4.4. Resultado eficiencia como coagulante de almidón de papa criolla buffer pH 7
y 8.
A partir de la figura 12 y terminando con la figura 15 se observa una clara disminución
en la eficiencia de remoción, además de hacerse clara la tendencia de disminución de
eficiencia a medida que el pH aumenta. En la figura 12 se observa la mayor eficiencia
de remoción con 45.84 % iniciando en 801 NTU y terminando con una turbiedad de
433.8 NTU con una dosificación de 20 ml. Por otra parte, la eficiencia más baja se
presentó el pH 8 con una remoción de 2.80 % a una turbiedad inicial de 214 NTU y
una final de 208 NTU utilizando una dosificación de 2 ml, cabe aclarar que en el buffer
pH 8 se registran las menores eficiencias de remoción de turbiedad como se puede ver
en las figura 14 y 15.
Figura 12. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 614-801 NTU a pH 7.
Fuente: Autores
57
Figura 13. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 214-395 NTU a pH 7.
Fuente: Autores
Figura 14. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 614-801 NTU a pH 8.
Fuente: Autores
58
Figura 15. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 214-395 NTU a pH 8.
Fuente: Autores
4.5. Resultados comparación de la eficiencia del extracto de almidón de papa
criolla en los buffer de pH 5 a 8.
Al hacer esta comparación entre buffers de pH se tuvo en cuenta la dosificación de 20
ml en todas las turbiedades trabajadas, a continuación, se presentan los resultados
obtenidos en los buffers de pH 5, 6, 7 y 8, estos últimos se presentan en la figura 16
con el objetivo de facilitar su comparación.
59
Figura 16. Eficiencia de remoción de turbiedad del extracto de almidón con un rango de turbiedad 214, 395, 614 y 801
NTU a pH 5, 6, 7 y 8 con dosificación de 20 mL. Fuente: Autores
En sentido global según las pruebas realizadas, se aprecia que los mejores resultados de
eficiencia del almidón de pulpa de papa criolla como coagulante dentro de las diferentes
turbiedades se obtuvieron en los ensayos de test de jarras realizados con agua sintética
en el buffer de pH 5 presentando valores de eficiencia por encimas del 85%, además de
presentar el mejor valor con un 98.70 % en una turbiedad inicial de 801 NTU. También
se puede observar la disminución de los porcentajes de eficiencia a medida que se eleva
el pH arrojando así una turbiedad mínima de remoción de turbiedad del 7.07 % con una
dosificación de 20 mL a un pH de 8.
4.6. Análisis de eficiencia almidón de papa criolla.
En todas las pruebas realizadas en el rango de pH 5-8 se evidencia que la eficiencia del
coagulante disminuye a medida que la turbiedad inicial del agua sintética es baja. Esto
puede asociarse a la concentración coloidal. Por ejemplo cuando la turbiedad del medio
es baja y 2 coloides semejantes se aproximan uno a otro, ocurre cierta interacción entre
las capas difusas, lo que hace que haya repulsión debido a la fuerza electrostática entre
60
ellos. La energía potencial de repulsión, que disminuye con la distancia a partir de la
superficie del coloide. Existen fuerzas atractivas entre las partículas denominadas
fuerzas de Van der Waals. Tales fuerzas son atribuidas a las fluctuaciones de carga en
los átomos y resultan de interacciones entre dipolos permanentes o inducidos en los
átomos interactuantes de los coloides del agua, esto impide que las partículas entren en
contacto entre sí, es decir que las partículas se encuentran muy dispersas en el medio
por tanto requieren un mayor tiempo de sedimentación viéndose afectado el proceso de
floculación (Barranchera et al., 2016).
En general se puede apreciar que para el extracto de almidón de pulpa de papa criolla
hay una tendencia a tener mejor rendimiento de remoción de turbiedad a valores de pH
ácidos, encontrando su estado óptimo de remoción en rangos de pH entre 5 y 6. La
estabilidad hacia pH ácidos, corresponden a los valores de p.c.c (punto de carga cero),
siendo este el comportamiento típico de la adsorción específica (Nahun,2014). Se
atribuye la remoción de turbidez de agua sintética utilizando almidón de pulpa de papa
criolla a la adsorción de contraiones debido a fuerzas químicas. La adsorción de
contraiones debida a fuerzas químicas establece enlaces (hidrogeno, covalentes,
iónicos) entre las moléculas adsorbidas y las superficies de los coloides, los cuales
quedarán adheridos a puntos fijos de adsorción, que podrían aumentar hasta cambiar la
carga del coloide hasta que se produzca su estabilización (Arboleda,2000).
La papa criolla en general posee mayoritariamente almidón en su composición (8-20%),
aportando moléculas poliméricas de alta masa molecular que a su vez están compuestas
por largas cadenas de iones (Ramirez,2011). Según (Hernández, 2008) y (Tester,2004),
estructuralmente, el almidón consiste en dos polisacáridos químicamente distinguibles:
la amilosa y la amilopectina. La amilosa es un polímero lineal soluble en agua, contiene
61
unidades de glucosa unidas por enlaces α (1-4) y α (1-6), teniendo por cada molécula
de amilosa entre 25 y 2500 monómeros de glucosa, mientras que la amilopectina es un
polímero ramificado de unidades de glucosa unidas por enlaces α (1-4) y α (1-6),
teniendo por cada molécula de amilopectina entre 300 y 6000 monómeros de glucosa.
Estas ramificaciones se localizan aproximadamente a cada 15-25 unidades de glucosa.
Lo anterior explica el porqué del poder coagulante del almidón de papa criolla, el cual,
al tener una gran cantidad de ramificaciones en su estructura permitió la adsorción de
los polímeros en las partículas coloidales, generando una aglomeración de las partículas
para la formación de un floc lo suficientemente pesado para su adecuada precipitación.
La dosis óptima de la solución madre que fue de 500 mg/L, se considera una dosis
demasiado alta, debido a que la dosificación de algunas investigaciones que trabajaron
el almidón de papa (8 y 50 mg/L) (Alvarado,2011 y Ferrer,2017). La respuesta a esta
dosificación considerada alta (500mg/L) podemos encontrarla en los polímeros
anteriormente mencionados, la amilosa y la amilopectina. Debido a que en la
coagulación se efectúa por la formación de un puente molecular entre las ramificaciones
(cadenas poliméricas) de la amilopectina y la superficie de las partículas coloidales, es
necesario que se haga una adecuada solubilización de la amilopectina en el agua. La
amilopectina es insoluble, caso contrario a la amilasa, pero esta última tiene una
estructura lineal, por lo que no es posible llevar a cabo el puente químico con amilasa
y la coagulación depende en su mayor parte de las muchas ramificaciones con que
cuenta la amilopectina que generalmente podrían componer del 70 -80 % del almidón
(Ramirez,2011). A pesar de que la amilopectina es insoluble en agua fría, se puede
llegar a solubilizar una parte de esta llevando el almidón a agua caliente por encima de
los 65 C° y cuya proporción de solubilidad aumenta al incrementar su temperatura (este
proceso también puede ser llevado a cabo en frio agregando soda caustica-
62
Campos,1991-). El almidón de este trabajo fue llevado a una temperatura de 65 C°, por
lo que solo se solubilizó una parte de la amilopectina, temperatura en la cual se inicia
la gelatinización del almidón.
4.7. Estandarización del ensayo con mejor remoción en condiciones óptimas.
Una vez obtenidos los resultados, se determinó el ensayo que obtuvo una mayor
remoción de turbiedad bajo las condiciones óptimas que son descritas en la tabla 5, con
base en dichas variables se realizan 16 réplicas de la prueba con el fin de estandarizar
la metodología y comprobar su validez.
Condición Resultados
pH 5
Turbiedad inicial
Agua sintética
801 NTU
Turbiedad Final
Agua sintética
10.40
Dosificación 20 mL
Tabla 5. Condiciones del ensayo con mayor porcentaje de remoción de turbiedad. Fuente: Autores
En el anexo 2 se muestran los resultados de eficiencia de remoción para cada replica
trabajada. De los 16 datos obtenidos se descartaron 2 por considerarse datos dudosos.
Según los criterios estadísticos mencionados en la metodología se aplicaron a los 14
datos las ecuaciones de media aritmética, varianza, desviación estándar, coeficiente de
variación y confiabilidad, cuyos resultados se muestran en la tabla 6.
63
Variable Resultado
N° total de réplicas 14
Media aritmética 98.51
Varianza 0.045
Desviación estándar 0.212
Coeficiente de variación 0.215
Confiabilidad 99.78
Tabla 6. Estandarización de la confiabilidad del mejor resultado de remoción de turbiedad. Fuente: Autores
El porcentaje de remoción del almidón de papa es de 98.51%. Podemos evidenciar
que la confiabilidad de la técnica de coagulación-floculación y sedimentación es de
99.78%, lo cual confirma la validez y precisión.
64
5. Conclusiones.
• Se corrobora la eficiencia del extracto de almidón de papa criolla con las dosis
propuestas en un pH de 5 con porcentajes de remoción superiores al 85 %.
• Bajo las condiciones de pH 5, turbiedad inicial de 801 NTU, dosificación de 20 ml
se obtuvo el ensayo con mayor porcentaje de remoción con un 98.70% de eficiencia,
logrando reducir la turbiedad a 10.44 NTU
• En los ensayos realizados a pH 8 se presentaron las menores eficiencias con un
rango de remoción del 2.80% a 11.86 % en la totalidad de pruebas
• En cada uno de los valores de pH y turbiedades trabajadas, las mejores eficiencias
de remoción se presentaron en las dosificaciones de 10 ml y 20 ml.
• Mediante el proceso estadístico realizados a partir de los resultados obtenidos al
replicar 14 veces las condiciones con mejor eficiencia de remoción (20 ml de
dosificación, 801 NTU y pH 5) se logró estandarizar este proceso con una
confiabilidad del 99.78%. Lo cual sostiene que este proceso se puede replicar en
otros estudios.
65
6. Recomendaciones
• Reducir la dosificación en la dosis óptima, solubilizando en mayor proporción el
almidón en la solución madre aumentando la temperatura a más de 65 grados,
trabajando con las diferentes propiedades del almidón (hinchamiento, gelatinización y
retrogradación)
• Hacer ensayos con agua sintética turbia en valores de pH inferiores a 5.
• Realizar la evaluación y comparación de costo beneficio en el proceso de coagulación
con coagulantes tanto comunes como con el extracto de almidón de papa criolla.
• Determinar el tiempo de biodegrabilidad de la solución madre de almidón como del
extracto de almidón de papa criolla.
66
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75
ANEXOS
76
Anexo 1. Materiales, equipos y reactivos
• Materiales
Pipetas graduadas de 5 y 10 mL
Balón aforado de 500 y 1000 mL
Agitador de vidrio
Probeta graduada de 100 y 200 mL
Pipeteadores
77
Beakers 600 y 1000 mL
Canecas de 5 galones
Vidrio de reloj
78
• Equipos
PHmetro portátil marca SCHOTT SI
ANALYTICS Ref. 28.520.298
Equipo de jarras portátil marca
VELP
SCIENTIFICA Ref. FP4
Cámara de secado marca
BINDER
ref: FD 23
Turbidimentro portátil marca
MICROTPW/TPI CAT 20000
INSTRUMENT –
HF SCIENTIFIC
Agitadores magnéticos heidolph MR
Hei-standard
Balanza Scout Pro, hasta 2000g
79
• Reactivos
Ácido acético
acetato de sodio
Difosfato sódico
Fosfato sódico
80
Anexo 2 Resultados de las réplicas a las conficiones óptimas
Replica Turbiedad inicial (NTU) Turbiedad final % Remoción
1 819 12.3 98.50
2 819 10.8 98.68
3 819 12.7 98.45
4 819 14.1 98.28
5 819 10.2 98.76
6 819 10.6 98.70
7 819 14.3 98.25
8 819 11.5 98.59
9 822 43.0 94.77
10 822 11.2 98.64
11 822 10.5 98.72
12 822 12.1 98.52
13 822 10.0 98.78
14 822 42.0 94.89
15 822 15.4 98.13
16 822 14.8 98.20
Datos totales= 16
Datos eliminados= 2 (replica 9 y replica 14)
81
Anexo 3 Totalidad de ensayos de remoción de turbiedad
PULPA pH 5
N° prueba Turbiedad I. (NTU) Dosificación (mg/L) Dosificación (ml) Turbiedad F (NTU) % Remoción
1 801 50 2 39.6 95.05
2 801 100 4 19.5 97.56
3 801 150 10 12.7 98.41
4 801 500 20 10.4 98.70
5 614 50 2 37.5 93.89
6 614 100 4 18.4 97.01
7 614 150 10 10.3 98.32
8 614 500 20 8.8 98.56
9 395 50 2 41.2 89.58
10 395 100 4 27.5 93.03
11 395 150 10 16.5 95.82
12 395 500 20 11.3 97.15
13 214 50 2 27.2 87.27
14 214 100 4 22.9 89.32
15 214 150 10 20.7 90.34
16 214 500 20 31.1 85.47
PULPA pH 6
N° prueba Turbiedad I. (NTU) Dosificación (mg/L) Dosificación (ml) Turbiedad F (NTU) % Remoción
1 801 50 2 580.0 27.59
2 801 100 4 560.0 30.09
3 801 150 10 434.0 45.82
4 801 500 20 391.0 51.19
5 614 50 2 470.3 23.40
6 614 100 4 431.6 29.70
7 614 150 10 356.0 42.02
8 614 500 20 340.0 44.63
9 395 50 2 308.8 21.82
10 395 100 4 288.6 26.93
11 395 150 10 273.9 30.66
12 395 500 20 257.1 34.92
13 214 50 2 191.4 10.54
14 214 100 4 182.8 14.56
15 214 150 10 174.0 18.68
16 214 500 20 170.0 20.56
82
PULPA pH 7
N° prueba Turbiedad I. (NTU) Dosificación (mg/L) Dosificación (ml) Turbiedad F (NTU) % Remoción
1 801 50 2 697.4 12.94
2 801 100 4 673.0 15.98
3 801 150 10 682.9 14.74
4 801 500 20 433.8 45.84
5 614 50 2 548.1 10.74
6 614 100 4 431.6 29.70
7 614 150 10 433.8 29.35
8 614 500 20 428.6 30.20
9 395 50 2 293.7 25.65
10 395 100 4 290.8 26.39
11 395 150 10 293.8 25.62
12 395 500 20 247.1 37.45
13 214 50 2 193.7 9.50
14 214 100 4 191.1 10.69
15 214 150 10 189.0 11.69
16 214 500 20 189.8 11.31
PULPA pH 8
N° prueba Turbiedad I. (NTU) Dosificación (mg/L) Dosificación (ml) Turbiedad F (NTU) % Remoción
1 801 50 2 758.0 5.37
2 801 100 4 767.0 4.24
3 801 150 10 740.0 7.62
4 801 500 20 706.0 11.86
5 614 50 2 578.0 5.86
6 614 100 4 586.7 4.44
7 614 150 10 564.6 8.05
8 614 500 20 550.0 10.42
9 395 50 2 375.0 5.06
10 395 100 4 370.0 6.33
11 395 150 10 365.0 7.59
12 395 500 20 360.0 8.86
13 214 50 2 208.0 2.80
14 214 100 4 207.0 3.27
15 214 150 10 205.0 4.21
16 214 500 20 198.9 7.07