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ALTERNATIVA PARA EL TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES CROMADAS CON QUITOSANO EXTRAÍDO DEL EXOESQUELETO DE CAMARÓN

LEIDY KATHERINE TAFUR BRAVO

RUBY KARINA QUEVEDO SALAS

Trabajo de grado presentado como requisito parcial para optar al título de Ingeniero Agroindustrial

Director

JOSE FERNANDO SOLANILLA DUQUE

PhD. Ciencia y Tecnología en Coloides Interfaciales

Codirector

MELANIE TERESA RAMÍREZ JARAMILLO

Candidata a PhD. en Ingeniería Química

UNIVERSIDAD DEL TOLIMA

FACULTAD DE INGENIERÍA AGRONÓMICA

PROGRAMA DE INGENIERÍA AGROINDUSTRIAL

IBAGUÉ - TOLIMA

2014

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4

DEDICATORIA

A Dios, por haberme dado la vida, por guiarme por el buen camino y por mostrarme día

a día que con humildad y paciencia todo es posible.

A mi madre por toda su confianza, apoyo y consejos brindados en el transcurso de mi

vida, por ser el pilar fundamental en mi formación, pero más que nada, por su inmenso

amor.

A mi padre, quien con su gran esfuerzo, luchó a fin de hacer de mí una persona de

bien, porque gracias a él sé que la responsabilidad se la debe vivir como un

compromiso de dedicación y esfuerzo.

Papás, no hay un día en el que no le agradezca a Dios por haberme dado la bendición

tan grande de ser su hija. Este trabajo es para ustedes, solamente les estoy

devolviendo una parte de todo lo que me han brindado.

A mis hermanos, por ser el mejor ejemplo, me siento muy orgullosa y agradecida con

Dios por haberme dado esta familia.

A mis sobrinos, quienes son inspiración y estimulo en mi vida.

También quiero dedicar este trabajo a la memoria de Oscar, ya no es estas a mi lado,

pero siempre estarás en mi mente y en mi corazón.

Leidy Katherine Tafur Bravo

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Dedico este trabajo a Dios que me ha dado la vida y fortaleza necesaria para seguir

cada día adelante. A mis queridos padres, por su amor, trabajo y sacrificio en todos estos años, gracias

por el apoyo incondicional y por enseñarme con su ejemplo de evolución constante; en

que el hombre es un proyecto inacabado y que SIEMPRE se puede empezar de nuevo.

Gracias a ustedes he logrado llegar hasta aquí

A mis hermanos Juan Sebastian y Hugo Fernando que me han dado palabras de ánimo

y gran estímulo motivándome en el largo camino de la carrera.Gracias por cuidarme y

estar a mi lado siempre que los he necesitado.

A mis abuelos, por estar siempre en los momentos importantes de mi vida, por los

consejos que han sido de gran ayuda para mi vida y crecimiento.

En general a toda mi familia, por ser el soporte de mi vida. Por brindarme su apoyo

incondicional y su AMOR. Ustedes son las personas más importantes de mi vida y las

que impulsan a seguir mis sueños.

Ruby Karina Quevedo Salas

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AGRADECIMIENTOS

En primer lugar, queremos agradecer a Dios nuestro señor, por darnos la vida, la salud,

por iluminar nuestra mente y fortalecer nuestro corazón para alcanzar nuestras metas.

A nuestros padres y hermanos, quienes han sido nuestro mayor soporte y fortaleza, por

todo su amor y apoyo incondicional, por sus esfuerzos y motivación, porque con su

sacrificio nos dieron la posibilidad de llegar a esta instancia.

A mi compañera de trabajo, por su amistad, paciencia y dedicación, ya que con ella

decidimos llevar a cabo este proyecto, donde el compromiso y la responsabilidad siempre

sobresalieron.

A nuestro director de trabajo, Ing. Jose Fernando Solanilla, por confiar en nosotras y por

brindarnos su experiencia para contribuir en nuestra formación integral.

A nuestra codirectora Ing. Melanie Teresa Ramírez, por su esfuerzo y tiempo dedicado

desde el inicio de la investigación, y especialmente por su motivación que ha sido

fundamental en la realización del trabajo.

Al laboratorio de Salud Pública de la Gobernación del Tolima y a todos sus integrantes

por permitir los análisis fisicoquímicos con una altísima calidad. Especialmente queremos

agradecer al Ing. Axel Lombardo Ramírez, por su asesoría e inmensa colaboración para

lograr el desarrollo de este trabajo.

Al Laboratorio de postcosecha y calidad de Ingeniería Agroindustrial, y a todos sus

investigadores, especialmente a los Ing. Darwin Carranza, Juan Pablo Quintero y Andrea

Milena Sánchez, quienes estuvieron siempre con una actitud de colaboración y

disposición en la planeación y ejecución de nuestro trabajo.

A la empresa Curtiembres Torrente y a su gerente Richard Torrente, por su extensa

colaboración y por suministrar el agua de producción para esta investigación.

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A la ingeniería ambiental y sanitaria Dalia Milena Rodríguez, por sus valiosos aportes

académicos y por compartir desinteresadamente sus conocimientos.

Al Laboratorio LASEREX y especialmente al profesor Walter Murillo por su colaboración

en la prueba de caracterización del quitosano por espectrofotometría infrarroja.

A nuestros amigos, gracias por permitirnos conocerlos y recorrer juntos este camino, ya

que gracias al equipo que formamos logramos llegar hasta el final del camino. Gracias

por seguir siendo amigos.

A los miembros del Jurado de este trabajo por sus valorables sugerencias a la versión

original del manuscrito, que contribuyeron al mejoramiento del presente trabajo.

A la Universidad del Tolima, el programa de Ingeniería Agroindustrial y sus docentes por

su dedicación, compromiso y por compartir los conocimientos para formarnos de forma

íntegra.

A las personas que, aunque no aparecen aquí con nombres y apellidos, han estado

presentes de alguna forma durante el desarrollo de este trabajo.

A todos muchas gracias!

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GLOSARIO

ABSORCIÓN: separación de una mezcla gaseosa en uno o más componentes por medio de un solvente líquido que forma una solución, donde los solutos son absorbidos de la

fase gaseosa y pasan a la fase liquida.

ADSORCIÓN: fenómeno superficial que ocurre a nivel molecular, en el cual los átomos, iones o moléculas son atrapados en la superficie de una sustancia sólida.

CAPA DIFUSA: espesor de la solución donde se acomodan los iones de ambas cargas eléctricas, principalmente los de carga contraria.

CATIÓN: ion con carga eléctrica positiva, es decir, que ha perdido electrones.

COLOIDE: sistema conformado por dos o más estados de agregación, donde hay una fase continua y una fase dispersa; la fase continua generalmente es líquida, mientras

que la fase dispersa se encuentra en partículas generalmente sólidas que se hallan en

menor proporción.

CONTRAIÓN: ion encargado de mantener la neutralidad eléctrica, por lo tanto siempre acompaña una especie iónica.

COPOLIMERO: es una macromolécula compuesta por dos o más monómeros o unidades repetitivas distintas, que se pueden unir de diferentes formas por medio de

enlaces químicos.

http://es.wikipedia.org/wiki/I%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Carga_el%C3%A9ctricahttp://es.wikipedia.org/wiki/Electr%C3%B3nhttp://es.wikipedia.org/wiki/Macromol%C3%A9culahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mon%C3%B3mero

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CROMO TRIVALENTE (Cr +3): se encuentra bajo la forma de óxidos, hidróxidos o sulfato y se encuentra principalmente unido a la materia orgánica en ambientes acuáticos y en

suelos. Es el agente curtiente más ampliamente usado en la industria de cuero.

CROMO HEXAVALENTE (Cr +6): se considera la especie más tóxica y cancerígena, se encuentra combinado con el oxígeno formando iones cromato o dicromato. En presencia

de materia orgánica, es reducido a cromo+3.

DOBLE CAPA: estructura que integra la región de la interfase que existe entre dos fases, la cual contiene una distribución de cargas eléctricas producida debido al intercambio de

cargas entre las dos fases, dándose lugar a la adsorción de iones, orientación de las

moléculas con momento dipolar y la polarización de la carga eléctrica en las moléculas.

ENLACE COVALENTE: Este es otro tipo de enlace químico fuerte. Se lleva a cabo entre átomos similares (es decir, dos no-metálicos). En un enlace covalente los dos átomos se

unen para compartir un electrón, en lugar de que un átomo tome un electrón de otro.

ENZIMA: molécula formada principalmente por proteína que producen las células vivas y que actúa como catalizador y regulador en los procesos químicos del organismo:

EUTROFIZACION: enriquecimiento en nutrientes inorgánicos de un ecosistema acuático.

FLOCULO: masa formada por las partículas que han sido coaguladas y se acumulan o aglomeran entre sí.

http://es.wikipedia.org/wiki/Nutrientehttp://es.wikipedia.org/wiki/Ecosistema

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FUERZAS DE VAN DER WAALS: se refiere a la fuerza de atracción o repulsión entre distintas partes de una molécula o entre distintas moléculas. Sin embargo estas fuerzas

son uniones débiles que difieren de las fuerzas debidas a los enlaces covalentes o a las

interacciones entre iones o moléculas neutras.

HIDROLISIS: es una reacción química entre una molécula de agua y otra molécula, en la cual la molécula de agua se divide y sus átomos pasan a formar parte de otra especie

química.

IÓN: partícula constituida por un átomo o molécula que ha perdido o ganado electrones, es decir, que ha perdido su neutralidad de carga.

MATERIA DISUELTA: sustancias orgánicas e inorgánicas que se encuentran contenidas bajo su forma molecular, ionizadas o de tal manera que sus solidos puedan

ser filtrados a través de un filtro con poros de un tamaño de dos micrómetros o menos.

MATERIA EN SUSPENSIÓN: materia que están inmersos en un fluido que por sus condiciones de velocidad del agua y tamaño, densidad y forma de la partícula impide que

el sólido se deposite en el fondo.

PARTICULA: se refiere a los átomos, iones, moléculas, etc., que conservan sus propiedades químicas.

POLIELECTROLITOS: son polímeros cuyas unidades de repetición soportan un grupo electrolito, policationes y polianiones. Estos grupos se disocian en soluciones

acuosas (agua), por lo que los polímeros están cargados.

http://es.wikipedia.org/wiki/Reacci%C3%B3n_qu%C3%ADmicahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9cula_de_aguahttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culahttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Polymers&usg=ALkJrhjZASB4UOwzAxiVOfvzu3prfFjwPAhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Electrolyte&usg=ALkJrhiKTh0uo-U-VLPGXLaNQWSUWqs-Twhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Ion&usg=ALkJrhhedy-KmMxA6K8K7XeYSjX-H25_ng#Anions_and_cationshttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Dissociation_(chemistry)&usg=ALkJrhh98FgE0Dk3h-6u91GVO2xnHJmiqwhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Aqueous&usg=ALkJrhii6709bOtoQPoDmmRFXnxCq0_ZOQhttp://translate.googleusercontent.com/translate_c?depth=1&hl=es&prev=/search%3Fq%3DPOLYELECTROLYTES%26sa%3DX%26biw%3D1280%26bih%3D923&rurl=translate.google.com.co&sl=en&u=http://en.wikipedia.org/wiki/Charge_(physics)&usg=ALkJrhip_Ti-RVJRhnHJBb9g8yqO6a2PSA

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POLIMERO: se definen como macromoléculas compuestas por una o varias unidades químicas (monómeros) que se repiten a lo largo de toda una cadena

POLISACARIDO: hidrato de carbono formado mediante la unión de varias moléculas de azúcar, como el almidón o la celulosa, que tienen una función estructural o energética.

POTENCIAL Z: es un potencial eléctrico de la doble capa entre el límite de la partícula y el fluido.

PROTONACION: es la adición de un protón (H+) a un átomo, molécula, o ion.

PRUEBA DE JARRAS: corresponde a ensayos a nivel de laboratorio orientados a simular las condiciones de coagulación, floculación y sedimentación del agua residual,

para determinar las condiciones óptimas donde se logra mayor eficiencia del proceso.

RESIDUO: materiales o restos que no tienen ningún valor económico para el usuario pero si un valor comercial para su recuperación e incorporación al ciclo de vida de la

materia.

VISCOSIDAD: se refiere a una magnitud física que mide la resistencia interna al flujo de un fluido, esta resistencia es producto de las fuerzas de interacción de las moléculas que

se deslizan unas contra otras. Lo inverso de la viscosidad es la fluidez.

http://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/Hidr%C3%B3genohttp://es.wikipedia.org/wiki/%C3%81tomohttp://es.wikipedia.org/wiki/Mol%C3%A9culahttp://es.wikipedia.org/wiki/Ionhttp://www.sabelotodo.org/fluidos/fluidos.htmlhttp://www.sabelotodo.org/quimica/molecula.html

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RESUMEN

El proceso para la extracción de quitosano se realizó a partir del exoesqueleto de

camarón blanco (Litopeneaus vannamei), aplicando un tratamiento químico que

involucró procesos de desmineralización, desproteinización, purificación y

desacetilación, obteniendo un rendimiento de quitosano del 19.33 %. La calidad del

polímero obtenido fue evaluada utilizando las técnicas de caracterización de prueba de

solubilidad, valoración potenciométrica y espectroscopia infrarroja (FT-IR). El grado de

desacetilación obtenido fue de 80.15 % y se determinó por el método de espectroscopia

infrarroja (FT-IR).

El quitosano extraído (QE) se empleó para evaluar la coagulación y floculación de

muestras de aguas residuales con licor de cromo provenientes del proceso de curtido

(ARC) de una planta de curtiembres. Se comparó la eficiencia del QE con el quitosano

comercial grado analítico (QC) y con un coagulante convencional (cloruro férrico). Las

ARC se caracterizaron antes y después de cada tratamiento, evaluando turbidez y

determinando la dosis óptima para cada coagulante. De acuerdo a las dosis óptimas se

evaluó pH, solidos suspendidos (SS), sólidos disueltos (SD), sólidos totales (ST),

demanda bioquímica de oxígeno (DBO), demanda química de oxígeno (DQO) y

contenido de cromo (Cr+3). El QE fue eficiente para la remoción de contaminantes

presentes en las ARC, obteniéndose remociones superiores al 45% en cada parámetro

de estudio, cumpliendo con la normatividad vigente. El Quitosano se presenta como

alternativa innovadora en el tratamiento de aguas residuales del proceso de curtido en

una planta de curtiembres (ARC).

Palabras clave: Quitosano, exoesqueleto de camarón, desacetilación, coagulación, floculación, aguas residuales del proceso de curtido.

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ABSTRACT

The process for extraction of chitosan was performed on white shrimp exoskeleton

(Litopenaeus vannamei), applying a chemical treatment process that involved

demineralization, deproteination, purification and deactivation. The yield of chitosan,

obtained was 19.33 %. The quality of the obtained polymer was evaluated using

characterization techniques such as solubility test, potentiometric titration and infrared

spectroscopy (FT-IR). The degree of de-acetylation of the chitosan obtained was 80.15%

using infrared spectroscopy (FT-IR) method.

The extracted chitosan (QE) was used to evaluate the coagulation and flocculation of

organic matter in wastewater samples from leather tanneries (ARC). The performance of

QE compared with commercial analytical grade chitosan (QC) and with a conventional

coagulant (ferric chloride). The turbidity of ARC was measured before and after each

treatment, in order to determinate the optimal dosage. According to the optimal dosage

of coagulant pH, biochemical oxygen demand (BOD), chemical oxygen demand (COD)

and chromium (Cr+3), were evaluated comparing each coagulant. The QE was efficient

for the removal of contaminants in the ARC, achieving more than 45% in each parameter

studied, complying with current regulations. Chitosan is presented as an innovative

alternative natural coagulant in the treatment of wastewater from leather tanneries (ARC).

Key words: Chitosan, shrimp waste, deacetylation, coagulation, flocculation, wastewater from the leather tanneries

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CONTENIDO

INTRODUCCIÓN .......................................................................................................... 23

1. JUSTIFICACIÓN ............................................................................................ 25

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA ........................................................... 27

3. OBJETIVOS ................................................................................................... 29

3.1 OBJETIVO GENERAL .................................................................................... 29

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS .......................................................................... 29

4. MARCO DE REFERENCIA ............................................................................ 30

4.1 MARCO TEÓRICO ......................................................................................... 30

4.1.1 Producción de cueros ..................................................................................... 30

4.1.1.1 Descripción general de la industria de curtiembres.. ...................................... 30

4.1.1.2 Proceso productivo. ........................................................................................ 31

4.1.1.3 Problemas ambientales asociados a las curtiembres. .................................... 34

4.1.2 Tratamiento de aguas residuales ................................................................... 35

4.1.2.1 Aguas residuales. ........................................................................................... 35

4.1.2.2 Parámetros de calidad de aguas residuales.. ................................................. 36

4.1.2.3 Sistemas de tratamiento de aguas residuales. ............................................... 37

4.1.3 Coagulación.. ................................................................................................. 41

4.1.3.1 Mecanismos de desestabilización de los coloides. ........................................ 42

15

4.1.3.2 Factores que influyen en la coagulación. ....................................................... 44

4.1.3.3 Tipos de coagulantes. .................................................................................... 46

4.1.4 Floculación. .................................................................................................... 47

4.1.4.1 Etapas de la floculación .................................................................................. 47

4.1.4.2 Factores que influyen en la floculación. .......................................................... 48

4.1.4.3 Tipos de floculantes.. ...................................................................................... 48

4.1.5 Quitosano ....................................................................................................... 49

4.1.5.1 Generalidades. ............................................................................................... 49

4.1.5.2 Estructura química. ......................................................................................... 50

4.1.5.3 Propiedades fisicoquímicas del quitosano. ..................................................... 51

4.1.5.4 Caracterización del quitosano. ....................................................................... 56

4.1.5.5 Aplicaciones del quitosano.. ........................................................................... 57

4.1.5.6 Principales fuentes. ........................................................................................ 59

4.1.6 Camarón ......................................................................................................... 60

4.1.6.1 Morfología del camarón blanco. ..................................................................... 60

4.6.1.2. Composición química del exoesqueleto del camarón..................................... 60

4.6.1.3. Características del cultivo de camarón en Colombia.. .................................... 61

4.2 ANTECEDENTES .......................................................................................... 62

5. MATERIALES Y MÉTODOS .......................................................................... 65

5.1 PREPARACIÓN Y OBTENCIÓN DE MUESTRAS ......................................... 65

5.1.1 Materia prima.. ............................................................................................... 65

5.1.2 Acondicionamiento.. ....................................................................................... 65

5.1.3 Recolección y preparación de las muestras de las aguas residuales del proceso de curtido (ARC). ............................................................................................. 66

16

5.2 OBTENCIÓN DEL QUITOSANO .................................................................... 67

5.2.1 Desproteinización. .......................................................................................... 67

5.2.2 Desmineralización. ......................................................................................... 68

5.2.3 Purificación. .................................................................................................... 68

5.2.4 Desacetilación. ............................................................................................... 69

5.3 CARACTERIZACION DEL QUITOSANO OBTENIDO ................................... 70

5.3.1 Rendimiento.. ................................................................................................. 70

5.3.2 Pruebas de solubilidad del quitosano.. ........................................................... 70

5.3.3 Determinación del grado de desacetilación por valoración potenciométrica. . 71

5.3.4 Espectroscopia Infrarroja IR. .......................................................................... 72

5.4 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL PROCESO DE CURTIDO . 72

5.4.1 Preparación de la solución coagulante ........................................................... 72

5.4.2 Procesos de coagulación y floculación. .......................................................... 73

5.4.3 Caracterización del agua residual.. ................................................................ 74

5.5 DISEÑO EXPERIMENTAL ............................................................................. 77

6. RESULTADOS Y DISCUSIÓN ...................................................................... 78

6.1 CARACTERIZACIÓN DEL QUITOSANO OBTENIDO ................................... 78

6.1.1 Cálculo del rendimiento.. ................................................................................ 78

6.1.2 Pruebas de solubilidad del quitosano.. ........................................................... 78

6.1.3 Determinación del grado de desacetilación por valoración potenciométrica.. 81

6.1.4 Espectroscopia Infrarroja (FT-IR).. ................................................................. 84

6.2 TRATAMIENTO DE AGUAS RESIDUALES DEL PROCESO DE CURTIDO . 87

6.2.1 Tratamiento de ARC mediante ensayos de coagulación-floculación.. ............ 88

6.2.2 Determinación de la dosis óptima del coagulante empleado.. ........................ 89

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6.2.3 Comparación entre el quitosano extraído y al quitosano comercial en la remoción de turbidez de las ARC. ................................................................................. 91

6.2.4 Eficiencia del quitosano extraído frente al quitosano comercial y al cloruro férrico en la remoción de turbidez de las ARC.. ............................................................ 92

6.2.5 Efecto del coagulante empleado en los parámetros de calidad de ARC. ....... 93

7. CONCLUSIONES........................................................................................... 98

RECOMENDACIONES ................................................................................................. 99

REFERENCIAS .......................................................................................................... 100

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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Curtiembres en Colombia ............................................................................... 31

Tabla 2. Contaminantes del Agua ................................................................................. 35

Tabla 3. Parámetros de calidad de aguas .................................................................... 36

Tabla 4. Carga Contaminante de la Curtición ............................................................... 39

Tabla 5. Comparación entre distintos procedimientos de tratamiento de aguas respecto al contenido de cromo residual ..................................................................................... 41

Tabla 6. Métodos de caracterización de quitosano. ...................................................... 57

Tabla 7. Principales aplicaciones del quitosano. .......................................................... 58

Tabla 8. Composición química en base seca del exoesqueleto de crustáceos. ........... 59

Tabla 9. Composición química del exoesqueleto del camarón blanco.......................... 61

Tabla 10. Resultados de la prueba de solubilidad de la muestra de quitosano al 2% en diferentes compuestos .................................................................................................. 78

Tabla 11. Resultados de la prueba de solubilidad de la muestra de quitosano al 1% en diferentes solventes. ..................................................................................................... 80

Tabla 12. Resultados de la titulación potenciométrica y su primera derivada en 3 muestras de quitosano. ................................................................................................. 82

Tabla 13. Resultados del grado de desacetilación para las muestras de quitosano. .... 84

Tabla 14. Grupos funcionales característicos del QE y QC. ......................................... 85

Tabla 15. Caracterización de las aguas residuales de curtiembres en el tanque de curtido ........................................................................................................................... 88

19

Tabla 16. Remoción de turbidez según el tratamiento empleado ................................. 92

Tabla 17. Valores promedio de los parámetros evaluados según los tratamientos realizados ...................................................................................................................... 94

Tabla 18. Caracterización de las ARC después del tratamiento con quitosano extraído ...................................................................................................................................... 97

20

LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Diagrama de flujo proceso de curtido al cromo ............................................. 33

Figura 2. Cuero curtido al cromo .................................................................................. 33

Figura 3. Mecanismo de adsorción y enlace de puente inter-partícula ........................ 44

Figura 4. Estructuras químicas de la quitina y quitosano. ............................................ 50

Figura 5. Diagrama para la producción de quitina y quitosano. .................................... 54

Figura 6. Morfología externa del camarón blanco (Litopenaeus vannamei). ................ 60

Figura 7. Secuencia de pasos para el acondicionamiento de las muestras. ................ 65

Figura 8. Fulón del proceso de curtido. ........................................................................ 66

Figura 9. Diagrama de las etapas del proceso de extracción de quitosano. ................ 67

Figura 10. Pasos importantes del proceso de desproteinización. ................................ 68

Figura 11. Pasos importantes del proceso de desmineralización. ................................ 68

Figura 12. Purificación y extracción de quitina. ............................................................ 69

Figura 13. Desacetilación y obtención de quitosano .................................................... 70

Figura 14. Prueba de jarras .......................................................................................... 74

Figura 15. Solubilidad de la muestra de quitosano al 2% en compuestos con concentración de 0.1 M. ................................................................................................ 79

Figura 16. Solubilidad de la muestra de quitosano al 1% en compuestos con concentración de 0.1 M. ................................................................................................ 80

21

Figura 17. Valoración potenciométrica del quitosano con NaOH 0.1 M. ...................... 82

Figura 18. Primera derivada del pH versus la primera derivada del volumen. ............. 83

Figura 19. Espectros FT-IR de las muestra de quitosano extraído y comercial. .......... 85

Figura 20. Comparación del efecto del quitosano extraído y quitosano comercial en la remoción de turbidez ..................................................................................................... 89

Figura 21. Efecto de la dosis del cloruro férrico en la remoción de turbidez. ............... 90

Figura 22. Eficiencia de los coagulantes empleados en la remoción de turbidez ......... 92

Figura 23. Efecto del coagulante empleado en el pH del agua residual ....................... 93

Figura 24. Comparación de la eficiencia de los coagulantes en los parámetros de calidad de aguas evaluados .......................................................................................... 95

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LISTA DE ANEXOS

Anexo A. Neutralización del pH mediante lavado con agua destilada. ...................... 116

Anexo B. Valoración potenciométrica de la segunda titulación. ................................ 117

Anexo C. Valoración potenciométrica de la tercera titulación. .................................... 117

Anexo D. Preparación de la solución coagulante de quitosano .................................. 118

Anexo E. Determinación de Solidos Totales, Solidos Suspendidos y Solidos Disueltos .................................................................................................................................... 118

Anexo F. Determinación de Demanda Química de Oxígeno ...................................... 118

Anexo G. Resultados de turbidez para los coagulantes empleados en las ARC ....... 119

Anexo H. Resultados de los parámetros de calidad de las ARC para las dosis óptimas de los coagulantes empleados en los ensayos ........................................................... 119

Anexo I. Resultados Determinación de Cromo por ICP .............................................. 120

Anexo J. Equipos ....................................................................................................... 121

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INTRODUCCIÓN

Las aguas residuales del proceso de curtido (ARC) originadas durante la producción y

transformación de piel en cuero, representan entre 15 a 40 m3 por tonelada de piel que

ingresa al proceso, presentando además de un elevado consumo de agua, descargas

que contienen compuestos altamente contaminantes de los ecosistemas y perjudiciales

para la salud humana, si superan los límites permitidos y no se tratan correctamente

(MAVDT, 2006). Estos contaminantes presentan características fisicoquímicas

específicas, dentro de las que se destacan: pH, contenido de sólidos, oxígeno disuelto,

y constituyentes orgánicos e inorgánicos incluyendo metales, entre otros, presentando

un problema ambiental y social (Fuquene, 2011).

El Centro Nacional de Producción Más Limpia en el 2004, recopiló información de varias

investigaciones relacionadas con la disminución de carga contaminante en la industria

de curtiembres, y reporta la implementación de tecnologías limpias en algunos procesos;

como sistemas de separación y precipitación de sólidos, neutralización de los efluentes,

reciclaje de los licores en las etapas de ribera, piquelado y curtido, disminución de la

descarga de compuestos orgánicos volátiles y del consumo de agua, sistemas de

guardapelo en el proceso de pelambre, agotamiento y recuperación del licor de cromo

en la etapa de curtido, entre otros (CNPML, COLCIENCIAS, SENA y EMPA, 2004). Sin

embargo, debido a las características de las ARC aún se hace necesario seguir

planteando nuevas tecnologías que permitan optimizar el proceso de producción de

cueros y reducir la carga contaminante en sus efluentes de manera que puedan ser

descargadas a los cuerpos de agua cumpliendo la normativa vigente.

En este orden de ideas, se ha demostrado que existen polímeros naturales que llevan a

cabo la clarificación de aguas residuales. Dentro de estos polímeros se destaca el

quitosano, el cual se obtiene por la desacetilación de la quitina, presente en el

exoesqueleto de algunos artrópodos como el camarón, y en la pared celular de algunas

familias de hongos y levaduras (Lárez, 2006). La obtención de este polímero requiere

24

diferentes condiciones de temperatura, tiempo de reacción y concentraciones de los

ácidos y bases. Entre sus aplicaciones se destacan la biotecnología, medicina, industria

de alimentos, tratamiento de aguas industriales y naturales, floculación y coagulación de

proteínas y aminoácidos, entre otras (Luna, 2012).

En cuanto al tratamiento de aguas, se ha empleado el quitosano como coagulante y

floculante en una variedad de aguas residuales y naturales, sin embargo, se hace

necesario profundizar sobre el uso de este polímero en aguas complejas como las ARC

con el fin de ampliar sus áreas de aplicación para contribuir a la preservación y cuidado

del medio ambiente. Por lo tanto, en esta investigación se evalúa la eficiencia del

quitosano como coagulante durante el tratamiento de aguas de producción de cueros.

25

1. JUSTIFICACIÓN

La industria de las curtiembres en su proceso de transformación de la materia prima para

producción de cueros genera compuestos que resultan en fuertes contaminantes del

medio ambiente, dentro de los cuales se destaca el sulfuro de hidrogeno, ácido fórmico

y sulfúrico, compuestos orgánicos volátiles, sales de cloro, amonio, y principalmente

sales de cromo (CNPML et al., 2004). Por lo tanto, se han diseñado métodos de

tratamiento de las aguas residuales en cada una de sus etapas de proceso que permiten

reducir la carga contaminante arrojada a las fuentes hídricas. Según cifras oficiales, se

estima que actualmente en las 610 curtiembres registradas en Colombia (8 en el

departamento del Tolima) se producen 378696 pieles/mes a nivel nacional y 700

pieles/mes en el Tolima, y de este total el 14 % del peso de la piel que ingresa al proceso

sale como agua contaminada, es decir, si en promedio una piel bovina pesa 28 kg, se

generan 2744 kg de agua contaminada al mes solo en el departamento del Tolima

(MAVDT, 2006).

Sin embargo, a pesar del uso de métodos convencionales y tecnologías limpias, ésta

industria es una de las que tienen procesos con mayor impacto ambiental, por lo que se

hace necesario la introducción de nuevas tecnologías que reduzcan la contaminación

por materia orgánica y principalmente la carga de metales pesados, especialmente

Cromo+3 en las aguas residuales.

Recientes investigaciones, indican que el quitosano es un polímero que posee

características apropiadas para procesos de tratamiento de aguas residuales con alta

turbidez, además, actúa como floculante en la remoción de partículas coloidales, y como

secuestrante de metales pesados en soluciones acuosas (Ahmad, Sumathi y Hameed,

2005; Divakaran y Sivasankara Pillai, 2002). El quitosano se obtiene a partir de la pared

celular de algunas familias de hongos, en las alas de algunas especies de insectos, y

principalmente en el exoesqueleto de crustáceos como el camarón (Renault, Sancey,

Badot y Crini, 2009). Este polímero presenta alta viabilidad de aprovechamiento por sus

26

propiedades adsorbentes, coagulantes, floculantes, biodegradables y biocompatibles

(Caldera et al., 2012; Mármol et al., 2011). Por lo anterior, el quitosano se constituye en

una alternativa innovadora para los métodos convencionales y de tecnologías limpias en

industrias como la de las curtiembres.

Por otro lado, la industria camaronera ocupa el puesto 13 en la producción mundial (8463

t/año a nivel nacional) y actualmente es la segunda producción acuícola más importante

del país, no solo por sus rubros económicos sino también por su oferta de generación de

empleo y desarrollo social (ICA, 2012). Sin embargo, a medida que aumenta su

producción, aumenta la generacion de residuos, los cuales se encuentran constituidos

principalmente por el caparazon y la cabeza, ya que generalmente se comercializa la

parte comestible que representan entre el 33 al 60 % del peso total del camaron. En otras

palabras, se esta desaprovechando entre el 40 al 67 % de este importante recurso

natural, lo cual desde otra perspectiva genera un potencial de aprovechamiento de estos

subproductos (SIC y Pontificia Universidad Javeriana, 2013).

Con el desarrollo de este proyecto se busca por un lado ofrecer una alternativa de

solución a la contaminación hídrica generada por la industria del cuero, mediante la

obtención de un producto de origen natural (quitosano), y por otro lado generar valor

agregado y aprovechamiento integral a los residuos provenientes de la industria del

camarón, los cuales no tienen valor real alguno en el mercado actual colombiano.

27

2. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

En el país funcionan aproximadamente 610 empresas de curtiembres, en Bogotá y sus

alrededores se concentran la mayoría con un 52 % de las empresas. En el Departamento

del Tolima el número de estas es de ocho que representan el 1.18 %. Estas empresas

se caracterizan por utilizar compuestos de cromo y ser altamente contaminantes del

recurso hídrico, debido a que la gran mayoría utilizan métodos y procedimientos

rudimentarios en sus procesos (Benitez, 2011)

Este proceso industrial es una de las tecnologías más negativas para el medio ambiente

por el proceso de curtido al mineral, que genera grandes descargas de residuos sólidos

y líquidos contaminantes a fuentes hídricas, debido a que requieren insumos químicos

potencialmente tóxicos que producen alta eutrofización del agua, por el exceso de grasa,

residuos de carne y piel que genera (Benitez, 2011). Según Rojas (2010), el cuero

propiamente dicho representa menos del 50 % del peso de la piel que inicia el proceso

de curtición, es decir, más de la mitad de la materia prima se queda como residuo y si no

es tratada correctamente podría afectar la zona de influencia en términos sociales y de

ambiente.

Según (CNPML et al., 2004), por cada 1000 kg de pieles saladas que ingresan al proceso

de curtición, se requiere aproximadamente 450 kg de insumos obteniéndose 200 kg de

cuero acabado, 40 kg de solventes emitidos a la atmósfera, 640 kg de residuos sólidos

y 138 kg de agua contaminada. Asimismo, el volumen de agua consumido en todo el

proceso oscila entre 15 y 40 m3/t de piel fresca.

Las cifras anteriores muestran que el proceso industrial de las curtiembres genera

impactos negativos sobre el ambiente en general y en particular sobre el recurso hídrico

que es reservorio de desechos orgánicos y químicos que afectan fuertemente la calidad

del agua. Según IDEAM (2010), el sector de curtiembres aporta el 10 % de los sólidos

suspendidos que se vierten a las aguas superficiales en Colombia. Razones suficientes

para la búsqueda de soluciones que permitan disminuir y evitar el deterioro de las fuentes

28

hídricas y del medio ambiente, considerando que es necesario un equilibrio entre la

productividad y la conservación del medio ambiente.

El exoesqueleto del camarón es un residuo de este crustáceo y usualmente se

comercializa para la producción de harina con un bajo valor económico o se libera al

medio ambiente, constituyéndose en una fuente de contaminación y deterioro del

ecosistema. El quitosano, tiene múltiples aplicaciones, entre ellas la reducción de

metales, sólidos y colorantes presentes en los recursos hídricos y en las descargas de

actividades de producción (Luna, 2012). Los residuos del procesado del camarón

constituyen una problemática para todos los países dedicados a este sector. Por tal

razón, el alto volumen de residuos que generan (24000 a 42000 t/año de residuos en

Colombia) y la lenta capacidad de degradación de este material, ha estimulado una

intensa investigación centrada en la determinación y búsqueda de un uso potencial de

este biopolímero.

Una alternativa para disminuir la carga contaminante es la utilización de coagulantes que

clarifique el agua proveniente de fuentes naturales. Por tal motivo, en este estudio se

propone realizar pruebas en aguas residuales provenientes del proceso de curtición

empleando quitosano extraído del exoesqueleto de camarón, para evaluar su eficiencia

como coagulante natural en la remoción de parámetros como turbidez, demanda

bioquímica de oxígeno, demanda química de oxígeno, pH, solidos suspendidos, solidos

disueltos, solidos totales y contenido de cromo (Cr+3).

29

3. OBJETIVOS

3.1 OBJETIVO GENERAL

Estudiar una alternativa para tratamiento de aguas residuales provenientes de la curtición

de pieles empleando quitosano extraído a partir del exoesqueleto del camarón blanco

(Litopenaeus vannamei).

3.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS

Extraer y caracterizar fisicoquímicamente el quitosano obtenido a partir del

caparazón de camarón.

Realizar ensayos con diferentes concentraciones de coagulantes-floculantes en

el tratamiento de aguas de curtiembres.

Caracterizar las aguas efluentes del proceso de curtición con tratamientos

convencionales y quitosano.

30

4. MARCO DE REFERENCIA

4.1 MARCO TEÓRICO

4.1.1 Producción de cueros

4.1.1.1 Descripción general de la industria de curtiembres. La curtición se define como la serie de procesos que se llevan a cabo para transformar las pieles de animales

en cuero (Krishanamoorthi, Sivakumar, Saravanan y Prabhu, 2009). Se pueden curtir

pieles de bovinos, ovinos, porcinos, equinos, peces y aves. La cadena más importante

es la que se refiere a la curtición de piel bovina, la cual nace como un subproducto de la

producción ganadera e incluye los eslabones de cría, beneficio de animales,

comercialización de la piel, curtición, manufacturas del cuero y sus subproductos

(MAVDT, 2006).

La cadena productora de cuero es un renglón que cada vez cobra más importancia en

Colombia debido a su vocación exportadora y gran demanda de mano de obra. Según

datos del DANE (2012), el sector del cuero en el 2011 tuvo un crecimiento económico

del 12.6 % comparado con el año anterior y una variación del 3.6 % en la generación de

empleo en el mismo periodo de tiempo, representando una participación del 0.1 % en la

producción nacional. En Colombia, este sector está compuesto por microempresas (93

%), pequeñas empresas (5.4 %), medianas empresas (0.9 %) y grandes empresas (0.6

%) (PTP, Fedecuero, ACICAM, Coelho y Universidad del Rosario, 2013). La tabla 1

muestra el número de empresas dedicadas a la curtición de pieles bovinas en diferentes

regiones de Colombia, así como su producción promedio.

31

Tabla 1. Curtiembres en Colombia

REGIÓN CURTIEMBRES PIELES/MES (Prom. aprox.) Cundinamarca 184 46270

Antioquia 8 53138 Bogotá 300 114625

Valle del Cauca 25 49310 Atlántico 2 56000 Nariño 50 9959 Quindío 22 19800 Bolívar 1 18000

Risaralda 1 8064 Norte de Santander 9 2330

Tolima 8 700 Fuente: MAVDT (2006)

4.1.1.2 Proceso productivo.

Proceso de ribera. Corresponde a la serie de procesos de acondicionamiento de

la piel en los cuales se retiran sustancias para preparar las proteínas para ser curtida

(Solanilla, 2005). Esta etapa inicia con la recepción de la piel (salada, en salmuera, seca,

etc.), posteriormente se hidrata, retirándole exceso de sal y otras sustancias, si es

necesario se retira el pelo y se eliminan grasas y demás impurezas presentes. Los

procesos de ribera incluyen en general las operaciones de remojo y lavado, pelambre y

encalado, descarne y dividido (CONAMA, 1999).

Esta etapa es la que consume mayor cantidad de agua generando aproximadamente el

65 % de los efluentes líquidos, los cuales son altamente alcalinos, y presentan contenido

de cal y sulfuros, además de altos niveles de DBO por la materia orgánica generada

durante este proceso (MAVDT, 2006).

Proceso de curtido. La etapa de curtido tiene como finalidad generar la

estabilización de la proteína de la piel en tripa por medio de distintas reacciones con

agentes químicos, convirtiéndola en un material fuerte y resistente. En esta etapa se

busca eliminar la alcalinidad de la piel en tripa descendiendo el pH de aproximadamente

12 (encalado) a 1.8 a 3.5 (piquelado) para que el curtiente se fije en las proteínas de la

piel. Lo anterior determina en gran medida la calidad del cuero (Solanilla, 2005).

32

Para curtir las pieles se pueden emplear distintos tipos de curtientes, que se dividen de

acuerdo a su origen y naturaleza (Ortiz, 2013). El curtido vegetal es un proceso que se

realiza con taninos vegetales como el extracto de quebracho, la corteza de acacia negra

y la mimosa. Los cueros curtidos al vegetal tienen aplicación en la producción de correas,

monturas, suelas y en la talabartería, entre otros. Asimismo, se pueden emplear

curtientes sintéticos, los cuales corresponden a compuestos orgánicos a base de

quinona y formol, entre otros. Este tipo de curtición ofrece mejor fijación en la piel, así

como un curtido más uniforme, sin embargo debido a sus costos son los curtientes menos

empleados.

Finalmente se encuentra el curtido mineral, el cual se realiza con sales minerales

principalmente de cromo y en casos especiales sales de magnesio y aluminio (MAVDT,

2006).

El curtido al cromo representa el 80 % de la curtición en el mundo, esto debido a sus

ventajas como la reducción del tiempo de curtido a menos de un día (6 a 8 horas), y su

alta estabilidad a la estructura fibrosa brindando cualidades al cuero como resistencia al

calor y mayor vida útil (Alvarez, Maldonado, Gerth y Kuschk, 2004).

En la industria se emplean sales de cromo trivalente (Cr+3), que se encuentran

principalmente en forma de combinaciones de cromo en concentraciones entre el 1.5 al

8 % respecto el peso de la piel en tripa. Las sales de cromo generan un color azul

verdoso en los cueros por lo que finalizado este proceso se le suele denominar al cuero

“wet blue” como se observa en la figura 3. Este tipo de curtido tiene aplicaciones en la

fabricación de ropa, bolsos, guantes, calzado, etc (Esparza y Gamboa, 2001).

Las descargas de la etapa de curtición pueden contener, sulfato de sodio, sales de

amonio, enzimas, grasas, carbonato de sodio, ácidos orgánicos, fenoles y/o polifenoles,

aunque el principal contaminante del proceso de curtición es el cromo. El problema se

origina porque además de tener complicaciones ambientales, actualmente no existe una

reglamentación sobre el uso y disposición adecuado en el tratamiento de este residuo.

Cabe aclarar que por el proceso en sí mismo no existen gran cantidad de efluentes que

cumplan con el límite permitido de cromo, el cual en Colombia es máximo de 1 mg/L

(MAVDT, 2006).

33

Figura 1. Diagrama de flujo proceso de curtido al cromo

Fuente: MAVDT (2006)

Figura 2. Cuero curtido al cromo

Fuente: Los Autores.

DESENCALADO

AguaSulfato de amonioTensoactivosBisulfito de sodio

Efluente

RENDIDO O PURGA

LAVADO

AguaEnzimas

AguaTensoactivos

Efluente

Efluente

PIQUELADO

AguaSalÁcido sulfúricoÁcidos orgánicosFormiato de sodio

Efluente

CURTIDO

BASIFICADO

Sales de cromo

Bicarbonato de sodioOxido de magnesioCarbonato de sodioFungicidas

Efluente

Efluente

REPOSO Y ESCURRIDO Efluente

CUERO WET BLUE

34

Procesos de recurtido y acabado. Comprende todos los procesos y operaciones

que se aplican al cuero para darle las características deseadas, corregir defectos y

proteger el producto final. En esta etapa se refuerza la curtición mejorando propiedades

y cualidades del cuero, además se le realizan tratamientos para que puedan ser usados

y confeccionados en distintos productos, con características de color, brillo, suavidad al

tacto y en general la apariencia y calidad requerida en el mercado (Solanilla, 2005). En

los procesos de recurtido y acabado se generan descargas contaminantes con taninos

vegetales, cromo, resinas, ácidos orgánicos, amoniaco, grasas y aceites.

4.1.1.3 Problemas ambientales asociados a las curtiembres. El proceso de curtiembres representa un alto impacto sobre el medio ambiente y la salud humana

(Rivera, 2003). Según CNPML et al. (2004), un proceso de curtición de 1000 kg de pieles

saladas, requiere 450 kg de insumos químicos, consumiendo entre 15-40 m3 de agua en

todo el proceso y generando alrededor de 640 kg de residuos sólidos, 138 kg de agua

que pierde la piel y 40 kg de solventes emitidos a la atmósfera. Según Ortiz (2013) en San Benito (Bogotá) donde se encuentran aproximadamente el

50 % de las curtiembres del país, se producen descargas con concentraciones de cromo

que oscilan entre 2000 a 8000 mg/L al rio Tunjuelito, el cual recibe 200 kg/día de cromo

proveniente de esas industrias. Estas descargas llegan al río Bogotá, uno de los más

contaminados del mundo, y posteriormente al río Magdalena, el más importante del país,

afectando fauna, flora y la salud de la población Colombiana.

En la industria procesadora de cueros se generan efluentes ácidos y alcalinos, por lo

tanto es conveniente separarlos para ser tratados de manera independiente. Una de las

alternativas en la industria de curtiembres es dar uso a los subproductos generados a lo

largo del proceso, lo que conllevaría beneficios ambientales. Por ejemplo, la materia

orgánica del pelambre puede usarse en la producción de alimentos para animales; y en

el descarne se pueden vender residuos grasos para la producción de jabones, alimento

animal, etc., lo que traería además beneficios económicos en la empresa (Rivera, 2003).

35

4.1.2 Tratamiento de aguas residuales

4.1.2.1 Aguas residuales. La FAO define aguas residuales como “Agua que no tiene valor inmediato para el fin para el que se utilizó ni para el propósito para el que se

produjo debido a su calidad, cantidad o al momento en que se dispone de ella. No

obstante, las aguas residuales de un usuario pueden servir de suministro para otro

usuario en otro lugar…” (FAO, 2014).

Estas aguas están compuestas, entre otras sustancias, por sólidos en suspensión

orgánicos e inorgánicos. Dentro de los sólidos inorgánicos se encuentran el nitrógeno,

fosforo, sulfatos, carbonatos, arsénico, cianuro, cromo, mercurio y plomo. En cuanto a

los sólidos orgánicos, se encuentran las grasas y jabones, entre otros (Nieto y Orellana,

2011). La tabla 2 resume los principales contaminantes del agua:

Tabla 2. Contaminantes del Agua

Clase Ejemplos Sólidos suspendidos Materiales coloidales, polvo, óxidos de metales insolubles, e hidróxidos Orgánicos disueltos Químicos orgánicos sintéticos, ácidos húmicos, ácidos fúlvicos Iónicos disueltos (sales) Metales pesados, sílice, arsénico, nitrato, cloruros, carbonatos Microorganismos Bacterias, virus, quistes protozoarios, hongos, algas, células de levadura Gases Sulfuro de hidrógeno, metano, radón, bióxido de Carbono

Fuente: Cartwright (2009)

La descarga de aguas residuales y los contaminantes allí encontrados provienen de tres

actividades principalmente:

Aguas urbanas y domésticas. Corresponden a las originadas por la sociedad y las

actividades del diario vivir en una ciudad (Ramalho, 1996).

Aguas agrícolas y agropecuarias. Son los efluentes provenientes de actividades

de explotación bovina, porcina, avícola y piscícola, principalmente. Asimismo, se refiere

a las aguas generadas producto de las actividades en los campos agrícolas. Estas aguas

generan en la mayoría de los casos una contaminación directa, ya que generalmente son

36

descargadas al cauce de los ríos sin ningún tipo de tratamiento previo (Nieto y Orellana,

2011).

Aguas residuales industriales. Hacen referencia a los efluentes generados por la

producción, manipulación y transformación de los recursos naturales en bienes y

servicios para el consumo de personas y animales, estos efluentes pueden ser líquidos

residuales, aguas de proceso y/o aguas de drenaje (Ramalho, 1996). Las aguas

residuales de la industria de curtiembres se encuentran dentro de esta categoría y son

el objeto de estudio de este trabajo.

4.1.2.2 Parámetros de calidad de aguas residuales. Cuando una actividad socioeconómica genera descargas de aguas residuales se debe hacer un control sobre

la calidad de las mismas, con el fin de garantizar la protección al medio ambiente y la

salud de las personas. Por lo tanto, el Ministerio de Agricultura formuló y expidió el

Decreto 1594 de 1984 por el cual se reglamenta las medidas y disposiciones en cuanto

a usos del agua y residuos líquidos, donde se establecen parámetros para medir la

calidad de las aguas. La tabla 3 muestra los parámetros más importantes que serán

tenidos en cuenta en este estudio.

Tabla 3. Parámetros de calidad de aguas

PARÁMETRO DESCRIPCIÓN

Temperatura

La temperatura es un parámetro que se encuentra relacionado con la actividad biológica. La temperatura óptima para el crecimiento de microorganismos se encuentra en un rango entre 25-35 °C, de tal manera que si la temperatura se encuentra por encima de 50 °C se eliminan y/o detienen gran cantidad de procesos de vida microbiana, al igual que si la temperatura desciende por debajo de 5 °C los microorganismos entran en un estado de latencia, es decir, la actividad microbiología se inhibe.

Turbidez o Turbiedad

Se define como la propiedad óptica que tiene un líquido de causar dispersión y absorción de la luz impidiendo que se transmita por difracción, lo anterior ocurre debido a la presencia de partículas coloidales, etc. Su valor se expresa generalmente en unidades de turbidez nefelométrica NTU (del inglés nephelometer turbidity units), aunque también existen otras unidades como la unidad Jackson (JTU) y la unidad de formacina (FTU).

37

PARAMETRO DESCRIPCIÓN

Sólidos suspendidos

(SS)

Este parámetro mide los sólidos que son retenidos en un filtro estándar de fibra de vidrio. Estos solidos causan averías y múltiples inconvenientes en las aguas de proceso en una planta industrial, por lo que son indeseables. Su valor se expresa en unidades de miligramo por litro de solución.

Sólidos Disueltos (SD)

Los sólidos disueltos, es una medida de la cantidad de materia disuelta en el agua, la cual está compuesta por materia orgánica, inorgánica y por iones en disolución. Este parámetro es determinado por evaporación del agua previamente filtrada y corresponde al residuo seco con filtración previa. Su valor se expresa en unidades de miligramo por litro de solución.

Sólidos Totales (ST)

Los sólidos totales son la sumatoria de los sólidos disueltos y los sólidos suspendidos. También se pueden definir como los residuos que resultan posterior al secado y evaporación de la muestra. Su valor se expresa en unidades de miligramo por litro de solución.

pH Este parámetro es la concentración de los iones hidrógeno a una temperatura dada que determina la acidez (7) de una solución. Se expresa en unidades de pH.

Demanda Bioquímica de Oxigeno (DBO)

Corresponde a la cantidad de oxígeno consumido en la eliminación de la materia orgánica mediante la degradación bioquímica en procesos aerobios; bajo condiciones de tiempo y temperatura dadas. Frecuentemente se refiere al consumo de oxígeno en 5 días denominado DBO5, aunque también suele emplearse, pero en menor frecuencia DBO21, es decir consumo en 21 días. Este parámetro se expresa en ppm (mg/L) de O2 que se consume.

Demanda Química de

Oxigeno (DQO)

Se define como la medida de oxigeno equivalente a cualquier sustancia susceptible a ser oxidada por un oxidante químico fuerte como el dicromato o el permanganato; en condiciones específicas de temperatura, pH y tiempo. Se expresa en ppm (mg/L) de O2.

Fracción DBO/DQO

Actualmente, se analiza la relación DBO/DQO con el fin de determinar la naturaleza de las aguas a tratar. si la relación arroja un índice menor de 0.2 corresponde a descargas inorgánicas, mientras que si es mayor a 0.6 serán descargas orgánicas

Metales Pesados

Este término hace referencia a los metales de alta densidad, aunque también los agrupan y clasifican por el número atómico, peso atómico, y propiedades químicas y toxicas. Entre los metales pesados se encuentran el mercurio, plomo, cromo, cadmio y el arsénico, entre otros. Para la realización del trabajo se tendrá en cuenta el contenido de cromo (Cr+3) en las aguas residuales. Su valor se expresa en unidades de miligramo por litro de solución.

Fuente: Delgadillo, Camacho, Pérez y Andrade (2010); DINAMA (1996); Lapeña (1989); Orozco (2005)

4.1.2.3 Sistemas de tratamiento de aguas residuales. Un sistema de tratamiento de agua residual incluye todas las operaciones y procesos que se llevan a cabo con el

objetivo de remover y reducir los contaminantes e impurezas que puede contener el

efluente, para así cumplir con las normativas, asegurando además la calidad

fisicoquímica y microbiológica de los cuerpos de agua (Cogollo, 2011).

38

Tratamiento convencional de aguas residuales. Existen tratamientos

convencionales que brindan la oportunidad de reducir y remover algunos parámetros de

calidad de aguas residuales, sin embargo requieren elevados costos y tiempos de

tratamiento, entre otros inconvenientes. Estos tratamientos incluyen varias etapas que

serán abordadas a continuación.

Pretratamiento. En esta etapa las aguas son transportadas por tuberías hasta la planta

depuradora de aguas residuales, donde se realizan las operaciones de desbaste

desarenado y desengrase. El desbaste es la eliminación de los sólidos de mayor tamaño.

El desengrase consiste en la concentración en la superficie del agua de las sustancias y

partículas de baja densidad. El desarenado es el depósito de las arenas en el fondo por

acción de la gravedad (Franco, 2014).

Tratamiento primario. En esta etapa se logra reducir el contenido de sólidos suspendidos

en el agua residual, mediante las operaciones de decantación, clarificación y

neutralización. La decantación consiste en el depósito en el fondo de las partículas con

mayor densidad (Lapeña, 1989). La clarificación incluye los procesos de coagulación,

floculación y sedimentación (Cogollo, 2011). La neutralización tiene como finalidad

estabilizar el pH a un rango óptimo para la acción depuradora de los microorganismos

(Lapeña, 1989). El presente estudio se basa en los procesos de coagulación y

floculación, los cuales hacen parte de la operación de clarificación. Por lo tanto serán

explicados con más detalle en la sección siguiente.

Tratamiento biológico o secundario. Una vez ha sido neutralizada el agua, pasa a un área donde los microorganismos, principalmente bacterias y protozoos, se alimentan de

las sustancias orgánicas presentes en la solución del agua residual. En este proceso, las

sustancias y compuestos orgánicos complejos son convertidos en compuestos simples,

disminuyendo la demanda química de oxígeno (Lapeña, 1989).

Tratamiento terciario. En algunos casos es conveniente continuar el tratamiento de

depuración, por lo tanto el agua pasa a una cámara de cloración en la cual son eliminados

los microorganismos. Cabe aclarar que posterior a esta etapa el agua no es apta para el

39

consumo humano o animal pero sirve para otros procesos industriales y agrícolas

(Lapeña, 1989).

Para efectos de este trabajo se hará énfasis en los tratamientos de aguas para la

industria de curtiembres, específicamente en el proceso de curtido, siendo éste el objeto

del estudio.

Tecnologías limpias en el tratamiento de aguas residuales en la etapa de curtido

de la industria procesadora de cueros. El término tecnologías limpias se refiere a las

tecnologías que aprovechan los recursos naturales renovables y no renovables de una

forma racional y sin contaminar, es decir, no producen efectos secundarios que alteren

el equilibrio ambiental en los sistemas naturales. (Arroyave y Garcés, 2006).

En el caso específico de las curtiembres, las alternativas más relevantes giran alrededor

de la recuperación, reciclaje y total agotamiento del cromo, además se busca reemplazar

algunos agentes químicos utilizados en el proceso, todo esto con el fin de disminuir la

descarga de metales pesados y otros compuestos contaminantes. En la siguiente tabla

se muestra la comparación entre sistemas convencionales y de tecnologías limpias,

respecto a los residuos generados.

Tabla 4. Carga Contaminante de la Curtición

Proceso de Curtido (kg/ton cuero crudo) Convencional Tecnologías Limpias SOLIDOS SUSPENDIDOS 5-10 1-2 DQO 7-11 7-11 DBO 2-4 2-4 CROMO 2-5 0.05-0.1

Fuente: CNPML et al. (2004)

A continuación se presenta una breve descripción de las tecnologías limpias más

importantes aplicadas a la industria de curtiembres

Recuperación por reciclaje del baño agotado de curtido al cromo. Para este

proceso, se deben separar los efluentes de cromo de las descargas de otros procesos.

Los operarios del fulón o tanque de curtido deben determinar el contenido de cromo

40

presente en las descargas, para así saber cuál es la cantidad de cromo gastado en el

ciclo anterior del proceso y cuál será la cantidad por añadir en el nuevo ciclo (MAVDT,

2006).

Este tipo de recuperación de cromo presenta ventajas relacionadas con la reducción del

consumo de agua, también se reduce aproximadamente en un 25 % el consumo de

cromo en el proceso y el contenido de este metal en las descargas, además no requiere

productos químicos adicionales y reduce costos de operación. Sin embargo acumula gran

volumen de licor de cromo y modifica la tonalidad del cuero (CNPML et al., 2004).

Recuperación por precipitación del cromo. Consiste en filtrar los licores gastados

de cromo en un tamiz con el objetivo de eliminar fibras. El cromo filtrado y regenerado se

almacena para reutilizarlo. En términos generales la precipitación de cromo se realiza

por la adición de un álcali en condiciones específicas. Este método se puede realizar

mediante precipitación con oxido de magnesio o carbonato sódico (sosa). Con el primero

se obtienen bajos niveles de cromo residual, sin embargo el proceso requiere mayor

tiempo y grandes volúmenes de tanque. En cambio, con el carbonato sódico hay una

rápida mezcla con los licores de cromo que además se ahorran hasta en un 30 %, y se

disminuye la carga contaminante de SS, cromo, sulfatos, cloruros y nitrógeno, mejorando

la eficiencia del proceso (Ortiz, 2013).

La precipitación de cromo presenta ventajas principalmente en la reducción del nivel de

este metal en las corrientes residuales, además, el cromo precipitado tiene

características más similares al cromo original comparado con el cromo reciclado

(CNPML et al., 2004).

Agotamiento del licor de cromo. Es importante optimizar el proceso de curtido al

cromo y reducir la carga contaminante en las descargas de este proceso, por lo tanto se

han diseñado estrategias para lograr el total agotamiento del cromo y conseguir

eficiencias superiores al 80 % del curtido. El agotamiento se puede conseguir mediante

el curtido de basicidad mixta, o adicionando sales de aluminio o titanio que

complementen la sal de cromo, teniendo en cuenta condiciones como la concentración

41

y el tiempo de cromo en el baño así como el pH y la temperatura de la solución (MAVDT,

2006).

Según la tabla 5, el mejor tratamiento para depurar aguas del proceso de curtido es la

precipitación del cromo, generando menor contenido de cromo residual, seguido por el

agotamiento completo del licor de cromo.

Tabla 5. Comparación entre distintos procedimientos de tratamiento de aguas respecto al contenido de cromo residual

Procedimiento kg Cr2O3 residual/t.cuero

mg/L de Cr en aguas residuales

Convencional 6-6.5 48-84 reciclado de baños 2 14-27 agotamiento completo 0.25 1.7-3.4 precipitación de cromo 0.2 1.5-3

Fuente: Cueronet (2003)

Existen antecedentes en países productores de pieles como Bolivia, en donde se

implementan tecnologías limpias como la separación y precipitación de sólidos,

neutralización de los efluentes y reciclaje de los licores de curtido, con las cuales se ha

logrado cumplir con la legislación y disminuir el consumo de agua en 850 m3/año y de

cromo en 13800 kg/año. De igual manera, en India que produce 230 t piel/mes se optó

por reciclar el cromo reduciendo el consumo en un 80 a 90 % (CNPML et al., 2004).

Por su parte, en Colombia se ha logrado disminuir el tiempo de proceso hasta en un 50

%, el consumo de energía en más del 20 %, de agua hasta en 30 %, de consumo de

cromo en un 64 % y en general un 50 % de reducción en contaminación con la

implementación de tecnologías limpias (CNPML et al., 2004).

4.1.3 Coagulación. La coagulación es un proceso que implica una serie de reacciones químicas con el fin de alterar y desestabilizar la superficie de las partículas coloidales;

originado por la adición de una sustancia coagulante que se encarga de adherirse a las

paredes de las partículas neutralizando las cargas eléctricas y reduciendo las fuerzas de

repulsión electrostática, dando lugar a las fuerzas de Van der Waals que permiten la

adhesión de las partículas entre ellas y su posterior aglomeración (Franco, 2014).

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4.1.3.1 Mecanismos de desestabilización de los coloides.

Compresión de la Doble Capa. Las interacciones entre la partícula coloidal y

algunos coagulantes son solo electrostáticas, es decir, los iones del coagulante que

tengan similar carga a la del coloide, se van a repeler mientras que los contraiones se

van a atraer. En este mecanismo la coagulación es más eficiente en la medida en que

haya aumento significativo de la carga (Londono, 2014). La coagulación se logra por este

mecanismo, mediante elevadas concentraciones de electrolitos en la solución que a su

vez elevan la concentración de contraiones en la capa difusa, con lo cual se consigue la

compresión de esta capa, disminuyendo la energía para el movimiento de las partículas

de similar carga, lo que representa la disminución de la repulsión entre las partículas

coloidales (Domínguez, 2010).

Adsorción y Neutralización de la Carga. Este mecanismo se realiza cuando las

partículas coloidales de signos opuestos se mezclan en el agua. La coagulación, puede

definirse como la anulación del potencial zeta debido a la adición de coagulantes, por lo

tanto este mecanismo se origina cuando los iones (del coagulante) con carga opuesta

son adsorbidos por la partícula coloidal, neutralizando las cargas repulsivas, y logrando

así la formación de precipitados. Para que este mecanismo sea eficiente debe tener

condiciones de pH ácido y bajas concentraciones de coagulante. Sin embargo cuando

se aumenta la concentración del coagulante, hay exceso de iones de carga opuesta, por

lo tanto, se reestabilizan las cargas en el coloide, ya que los iones son adsorbidos en la

superficie de la partícula, originando una carga invertida a la carga original y dando como

resultado una disminución en el rendimiento de coagulación (López, E., Oropeza, Jurado

y Ochoa, 2014).

Inmersión en un precipitado. Este mecanismo consiste en la adición del

coagulante en una concentración tan elevada que excede el límite de solubilidad de éste

en el agua, haciendo que se formen precipitados producto de la reacción del agua con

los coagulantes, originando unos flocs que atrapan a las partículas suspendidas y

originan su decantación. Se presenta por ejemplo, cuando se adicionan sales metálicas

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en exceso para precipitar un hidróxido o carbonato metálico y las partículas coloidales

quedan inmersas dentro del precipitado. Este mecanismo, aunque no es una verdadera

coagulación, es el más empleado ya que generalmente las concentraciones de

coagulante están por encima del límite de solubilidad en condiciones normales de pH y

temperatura, además los flóculos formados, tienen mejor sedimentación, en

comparación con el mecanismo de absorción y neutralización (Londono, 2014).

Adsorción y enlace de puente interpartícula. Este mecanismo consiste en la

reacción que ocurre entre el polímero adicionado (coagulante) y un sector de la zona

superficial del coloide. Las moléculas largas del coagulante poseen en su estructura

grupos químicos encargados de adsorber las partículas en una de sus extremidades,

quedando el resto de la zona superficial libre para adsorber otras partículas coloidales,

originando uniones partícula-polímero-partícula. Si no hay otras partículas coloidales

libres para la adsorción, las partes dilatadas del coagulante serán adsorbidas en la

misma partícula coloidal, y el polímero no serviría de puente, además, si hay excesiva

carga de polímeros habrá una reestabilizacion de las partículas coloidales (Aguilar,

Lloréns, Soler y Ortuñom, 2002). Lo anterior se explica en la figura 3:

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Figura 3. Mecanismo de adsorción y enlace de puente inter-partícula.

Fuente: Aguilar et al. (2002)

4.1.3.2 Factores que influyen en la coagulación.

pH. Es la variable más importante a considerar en el proceso de coagulación;

depende de la concentración, el tipo de coagulante a ser usado y la composición química

del agua. Si el proceso se lleva a cabo fuera del rango de pH va a requerir mayor

concentración de coagulante, y afectara la solubilidad del mismo en el agua y el tiempo

de formación del floculo (deben haber valores mínimos de pH). Cabe anotar que el pH

depende además de los factores anteriormente mencionados, de la carga eléctrica,

entonces, para optimizar el proceso debe haber un pH neutro que origine una carga

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neutra y reduzca el potencial zeta, con lo cual se logra disminuir la concentración de

coagulante necesario y el tiempo de proceso (Domínguez, 2010).

Dosis del Coagulante. Este parámetro influye directamente en la eficiencia del

proceso, de tal manera que si se adiciona poca cantidad de coagulante, no se va lograr

una neutralización total de la carga de la partícula coloidal, dando como resultado una

mínima formación de flóculos. Por el contrario si se adiciona gran cantidad de coagulante,

se va a invertir la carga de la partícula coloidal, dando como resultado formación de gran

cantidad de flóculos de muy pequeño tamaño, que van a tardar mucho tiempo en

sedimentar. En ambos casos se obtiene alta turbiedad. Por lo tanto, se debe ajustar la

concentración optima del coagulante mediante prueba de jarras (Li et al., 2014).

Turbidez o turbiedad. La coagulación de las partículas se ve influenciada por la

turbiedad, que a su vez se relaciona con la cantidad de coagulante adicionado, es decir

cada turbiedad tiene una concentración óptima del coagulante. La concentración del

coagulante en el agua aumenta con la turbiedad, sin embargo no es un aumento

proporcional, ya que si la turbiedad es muy elevada no requiere dosis altas de

coagulante, debido a que existe alta probabilidad de colisión entre las partículas

coloidales, en cambio, si la turbiedad es muy baja, requiere mayores dosis de coagulante

debido a que existe menor probabilidad de choque entre las partículas (Domínguez,

2010).

Agitación y mezcla. La agitación del agua durante la adición del coagulante

condiciona la eficiencia del proceso, de tal manera que si hay mayor agitación en un lado

que en otro va a haber mayor concentración del coagulante y el proceso no será

uniforme, por lo tanto se debe asegurar que la mezcla sea igual en toda la solución y así

se produzca una adecuada reacción química y neutralización de las cargas, obteniendo

un correcto proceso de coagulación (Scholz, 2006).

Tamaño de las partículas. El tamaño y la concentración de las partículas

condicionan el proceso de coagulación, de tal manera que es necesaria la adición de

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mayor cantidad de coagulante si el tamaño de partícula es menor. Si las partículas tienen

gran tamaño (superior a cinco micras) se dificulta la formación del floc (Restrepo, 2009).

4.1.3.3 Tipos de coagulantes.

Coagulantes a base de sales metálicas. Frecuentemente empleados en el

tratamiento de aguas industriales y domésticas. Entre los coagulantes de este tipo se

encuentran el sulfato de aluminio y el cloruro férrico, con los cuales hay que tener

especial cuidado ya que pueden reaccionar con otras sustancias químicas y generar

toxinas y compuestos peligrosos para la salud humana. Las sales de aluminio, como el

sulfato de aluminio es empleado por su bajo costo y su fácil manejo, además de su

eficiencia en el proceso. Sin embargo las sales de hierro, principalmente el cloruro férrico

forman un floc más pesado y por ende mayor velocidad de sedimentación que otros

coagulantes. Dentro de este grupo hay otro tipo de sales metálicas que han sido

polimerizadas, y son frecuentemente empleadas en Asia y Europa, entre estos

coagulantes se destaca el cloruro de poli-aluminio el cual es muy útil en el tratamiento

de aguas (Renault et al., 2009).

Coagulantes a base de polímeros sintéticos. Los coagulantes de este tipo tienen

elevado peso molecular, y aumentan la viscosidad de la solución; son utilizados para la

neutralización de las partículas coloidales y pueden ser empleados como productos

complementarios en la coagulación con sales metálicas.

Coagulantes de origen natural. Son coagulantes alternativos que pueden tener

rendimientos iguales o incluso superiores a los de origen sintético, además tienen un

valor agregado relacionado con las características de biodegradabilidad que lo

convierten en una alternativa viable desde el punto de vista ambiental. Algunos de los

coagulantes de origen natural son almidones y polisacáridos naturales, tales como la

celulosa, y el quitosano, siendo este último el objeto de estudio de este trabajo (Nieto y

Orellana, 2011).

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4.1.4 Floculación. La floculación es el proceso siguiente a la coagulación; consiste en la aglomeración por medio de la agitación suave y continua de las partículas coloidales

desestabilizadas anteriormente, hasta permitir el crecimiento de los flóculos recién

formados aumentando su tamaño y peso, de tal manera que sean removidos fácilmente

por medio de la sedimentación (Records y Sutherland, 2001).

Sin embargo la floculación realizada por la simple agitación y aglomeración de las

partículas coloidales no representa gran eficiencia en el proceso, por lo tanto es

necesario adicionar agentes floculantes que optimicen el proceso mediante la formación

de enlaces entre las partículas logrando su aglomeración y formación de flóculos de gran

tamaño y peso que sean removidos por sedimentación en menor tiempo (Franco, 2014).

4.1.4.1 Etapas de la floculación

Floculación pericinética. Consiste en el movimiento natural y aleatorio de las

moléculas de agua, denominado movimiento browniano. Este fenómeno se da por el

movimiento desordenado de las partículas coloidales, las cuales colisionan con las

moléculas del agua generando la aglomeración, la cual depende de la desestabilización

de las partículas coloidales. Este tipo de floculación sólo actúa al comienzo del proceso

(6 -10 seg) y no depende del tamaño de la partícula, también puede ser producido por la

energía generada por las paletas del sistema de agitación empleado (Domínguez, 2010).

Floculación ortocinética. Este tipo de floculación, por el contrario, consiste en la

colisión de las partículas coloidales debido al movimiento del agua originado por un

medio externo de agitación mecánica o hidráulica, los cuales causan la turbulencia y el

movimiento de las partículas a diferentes velocidades y direcciones, aumentando la

probabilidad de choque entre ellas. Esta floculación actúa durante el resto del proceso

(20-30 min), es decir, inicialmente se produce la floculación pericinética y posteriormente

la ortocinética, con el fin de generar la aglomeración de los microflóculos (Restrepo,

2009).

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4.1.4.2 Factores que influyen en la floculación.

Composición del agua. Las características fisicoquímicas del agua juegan un rol

importante en el tiempo y la velocidad del proceso de floculación, donde se generan

cadenas poliméricas que interactúan con las partículas presentes en la solución.

Igualmente, los iones presentes en el agua alteran el equilibrio del proceso (Domínguez,

2010).

Tiempo. El tiempo de agitación es proporcional a la velocidad de aglomeración

entre las partículas. Sin embargo el tiempo de residencia debe ser el óptimo según el

proceso, dado según ensayos y pruebas de laboratorio. Si el tiempo de agitación es muy

largo dará como resultado la desestabilización y posible rotura de los flóculos formados,

liberando las partículas coloidales y dificultando su aglomeración (Restrepo, 2009).

Gradiente de velocidad. Debido al aumento de tamaño de los flóculos, las

partículas pueden entrar en contacto en función del diferencial de velocidad que existe

en las zonas del fluido donde se encuentran, por lo cual las fuerzas de esas partículas

son inducidas por el mismo gradiente de velocidad, dando como resultado baja eficiencia

en el proceso cuando el tiempo es inferior o superior al óptimo de agitación o mezcla.

Para aumentar la velocidad de aglomeración de las partículas debe aumentarse el

gradiente de velocidad, teniendo en cuenta que la velocidad de mezcla influye en la unión

de las partículas, por lo tanto si la velocidad es muy alta y la agitación muy intensa, se

produce el rompimiento de los flóculos reduciendo la probabilidad de que vuelvan a

aglomerarse (Domínguez, 2010).

4.1.4.3 Tipos de floculantes. Los floculantes son polímeros que favorecen el proceso de floculación bien sea aumentando la velocidad del proceso o mejorando la

calidad del floculo formado. Estos floculantes pueden ser de naturaleza: mineral,

orgánico natural u orgánico de síntesis.

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Floculantes Minerales. Dentro de los cuales, el más importante es la sílice

activada, considerada como el primer floculante empleado.

Floculantes Orgánicos Naturales. Son polímeros naturales provenientes de

sustancias o compuestos animales o vegetales. En este grupo se encuentran los

alginatos.

Floculantes Orgánicos de Síntesis. Este tipo de floculantes son los frecuentemente

empleados; corresponden a macromoléculas de cadena larga y se clasifican en

catiónicos, aniónicos y neutros o no iónicos (Records y Sutherland, 2001).

4.1.5 Quitosano

4.1.5.1 Generalidades. El quitosano es un polímero natural que se obtiene a partir de la quitina, es uno de los biopolímeros más abundantes en la naturaleza después de

la celulosa, convirtiéndolos en recursos renovables importantes, pues son los

compuestos orgánicos más abundantes sobre la tierra. La celulosa refuerza la pared

celular de plantas mientras que el quitosano constituye el resistente exoesqueleto de los

artrópodos: crustáceos, insectos, arácnidos y es uno de los componentes principales de

las paredes de los hongos (Caro, 2011). Sin embargo, la fuente más importante de

quitosano, a nivel industrial, lo constituye la quitina, la cual, mediante un proceso de

desacetilación química o enzimática, ha permitido producirlo a gran escala (Lárez, 2006).

El término quitosano fue determinado por Hoppe-Seyler en 1984, basándose en los

estudios de Rouget, quien en 1859 la descubrió, encontró que al tratar quitina con una

solución caliente de hidróxido de potasio se obtiene un producto soluble en ácidos

orgánicos. Esta “quitina modificada” como él la llamó, se tornaba de color violeta en

soluciones diluidas de ioduro y ácido, mientras que la quitina tomaba el color verde (Arias,

2009). El estudio de las propiedades funcionales de este biopolímero han promovido su

utilización a lo largo de los años en varios campos distintos como lo son: la agricultura,

la medicina, la industria alimentaria y farmacéutica.

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Cuando se genera la desacetilación parcial de quitina se producen diferentes tipos de

quitosano, con rangos de grados de desacetilación y diferentes pesos moleculares, la

diferencia en las propiedades de estos polímeros se nota por la distinta solubilidad que

presentan en medios acuosos. El grado de desacetilación, del quitosano se encuentra

en un rango aproximado de 70 a 95 %, mientras que en el caso de la quitina es alrededor

del 5 a 15 %. (Baxter, Dillon, Taylor y Roberts, 1992).

4.1.5.2 Estructura química. El quitosano es un polisacárido lineal que se obtiene por desacetilación extensiva de la quitina, tras sustituir los grupos acetamido por grupos

amino. También se le conoce como un copolímero compuestos por dos tipos de

unidades estructurales, la N‐acetil‐D‐glucosamina y la D‐glucosamina (figura 4), unidas

entre sí por enlaces glicosídicos del tipo β(1→4), las cuales se distribuyen de manera

aleatoria y varían en su proporción a lo largo de la cadena (Florencia, 2011).

Figura 4. Estructuras químicas de la quitina y quitosano.

Fuente: Ravi Kumar (2000)

La quitina está formada por unidades de 2-acetamido-2-deoxy-β-D-glucosa unidas por

enlaces β-(