DETERMINACION DE CARBOHIDRATOS EN AGUAS RESIDUALES DE LA INDUSTRIA AZUCARERA Y CUERPOS DE AGUAS CONTAMINADOS Lic. Joaquín Gutiérrez Díaz* *Ministerio de Ciencia Tecnología y Medio Ambiente Centro de Información, Gestión y Educación Ambiental Calle 20 No 4110, esq a 18A entre 41 y 47, Playa, Ciudad de la Habana, Cuba Teléfono: (537) 229351 email: [email protected]

RESUMEN

Se presenta un procedimiento analítico para la determinación de carbohidratos en aguas residuales de la industria azucarera, el método utiliza Antrona en un medio sulfúrico fuerte. La marcha analítica es simple y poco laboriosa, el equipamiento y medios materiales que se emplean son baratos y de fácil adquisición. La Antrona en Acido sulfúrico concentrado reacciona para formar un derivado del furano de color verde con un máximo de absorción en 620 nm. La reacción colorimétrica cumple con la Ley de Beer y Lambert en el rango de concentración estudiado, entre 10 y 100 mg/l de Glucosa. La sensibilidad del método es de unos 3 mg/l de Glucosa, siendo repetible en las condiciones experimentales que se reportan. La desviación estándar (ds) en el rango estudiado es de 4 mg/l. El método se aplicó con éxito como trazador de la contaminación producida por residuales azucareros en una corriente superficial, la cual también estaba sometida a descargas de aguas residuales domésticas. Los resultados obtenidos permitieron llegar a cuantificar la cargas contaminantes relativas que ambos vertimientos aportaban.

FUNDAMENTO DEL METODO

La Antrona forma un compuesto verde en medio ácido fuerte (Acido sulfúrico) con ciertos carbohidratos y sacáridos, en especial con azúcares y almidones. La reacción de la Antrona (9.10 dihydro 9 ketoantraceno) en medio sulfúrico produce un derivado del furano que tiene su máximo de absorción en 620 nm. Existen reportados en la literatura varias alternativas para la determinación de carbohidratos que emplean la Antrona. En el método desarrollado en este artículo la concentración de carbohidratos (como Glucosa) se determina espectrofotométricamente, aunque puede utilizarse un fotocolorímetro de filtro con un filtro adecuado (de color rojo) , el calentamiento para el desarrollo del color, utilizando el calor de reacción entre el Ácido sulfúrico y el agua, es una novedad dentro de los procedimientos analìticos que utilizan la Antrona revisados.

APLICACION

Los residuales azucareros son ricos en contenidos de azúcares principalmente en sacarosa (la que se hidroliza en fructosa y glucosa) y otros carbohidratos. El método de ensayo propuesto no es específico para un carbohidrato dado y el color resultante de la reacción es sólo proporcional a la concentración de la mezcla de azúcares presentes que son sensibles a formar en compuesto de furano coloreado . Es por ello que se recomienda la calibración y expresión de los resultados utilizando la Glucosa. La técnica analítica ha sido probada con éxito en casos de contaminación por residuales azucareros en corrientes superficiales y aguas subterráneas. Es de valor cuando los residuales azucareros son mezclados en su transporte con otras corrientes residuales, en especial de residuales domésticos.

MATERIALES Y METODOS

REACTIVOS Reactivo de Antrona y Acido sulfúrico : Disuelva 0.1 g de Antrona en 500 ml de Acido sulfúrico concentrado (con el rigor estipulado en estos casos), añada esta solución con cuidado sobre 200 ml de agua destilada bien fría. Enfríe y agregue 1 g de thiourea. La solución resultante, de color amarillo intenso, es relativamente estable por 1 semana si se almacena en un frasco ámbar y en refrigeración. Esta cantidad es suficiente para realizar unos 40 ensayos incluyendo las soluciones patrones y blancos. Para pequeñas cantidades de muestras se recomienda solo preparar unos 15 ml por cada ensayo. Solución de Glucosa : Disuelva 100 mg de glucosa seca y de buena calidad en un litro de agua destilada. La solución es estable por una semana si es guardada en un frasco ámbar y en refrigeración. Esta solución tiene una concentración de 100 mg/l de Glucosa. EQUIPAMIENTO Sólo es necesario disponer de un espectofotómetro o de un fotocolorímetro de filtro, esté ultimo con un filtro de 620 nm (rojo), las cubetas a emplear son de 1cm de paso de luz o mayores. Además para llevar a cabo las pesadas se debe emplear una balanza analítica.

CRISTALERIA Y MISCELANEA DE LABORATORIO Los materiales que se utilizan son comunes a cualquier laboratorio de aguas : frasco de pesada, espátula pequeña, frasco lavador, agitador de vidrio, volumétrico de 1000 ml y otros de diferentes capacidades para las diluciones, frasco ámbar de 500 ml, frasco ámbar de 1000 ml, vaso de precipitado (Beaker) de 880 ml, vaso de precipitado de 1000 ml y vasos de precipitado (forma alta) entre 20 y 25 ml. TECNICA OPERATORIA Seleccionar una pareja de vasos de precipitados entre 20 y 25 ml de forma alta para cada ensayo, los vasos de precipitados deben ser todos iguales para garantizar un similar intercambio calórico durante el calentamiento y enfriamiento que ocurrirá durante el proceso, se deben incluir también los beakers del blanco y muestra patrón de Glucosa. Se filtran unos 50 ml de la muestra utilizando un papel de filtro de filtración lenta. Se adicionan 3 ml del filtrado a uno de los vasos de precipitados, el que debe estar totalmente seco, en el otro se agregan 9 ml de la solución Antrona y Acido sulfúrico. Una vez estén preparados y alineados todos los beakers se procede a mezclarlos por parejas rápidamente y por inversión (de uno al otro y viceversa) tres veces. El beaker conteniendo la mezcla se deja enfriar tapado en un lugar obscuro. Una vez fría, se traspasa un volumen apropiado a la celda de vidrio de lectura y se mide la densidad óptica (Dopt) en el espectrofotómetro o fotocolorímetro a 620 nm , con un filtro rojo en el último caso. Las lecturas deben hacerse en menos de 2 horas después de haber desarrollado el color. Igual procedimiento se sigue para el blanco (3 ml de agua destilada) y la solución patrón de glucosa, esta última se prepara por dilución de la solución standard. CALCULOS Los cálculos se efectuan aplicando la fòrmula siguiente : Glucosa (mg/l) = Cg/ DoptG . Doptm . F Cg = Concentración de Glucosa del patrón utilizado DoptG = Densidad óptica del patrón de Glucosa Doptm = Densidad óptica de la porción medida F = Factor de dilución = volumen del volumétrico/ volumen de la alicuota de la muestra

Se recomienda preparar puntos patrones entre 20 y 50 mg/l de Glucosa y diluir la muestra hasta alcanzar aproximadamente una concentración final antes de la medición de la densidad óptica entre 10 y 100 mg/l de Glucosa. El factor concentración/densidad óptica (Cg/DoptG) obtenido en estas condiciones experimentales fue de 95 mg/l de glucosa por unidad de densidad óptica. Ejemplo de cálculo : Se toma una muestra en un río contaminado por residuales azucareros. Se filtra en el laboratorio y se toma una alicuota de 10 ml y se llevan a 1000 ml empleando un volumétrico de 1 litro. De esta solución diluida se sigue la marcha analítica. Cg = 20 mg/l de glucosa DoptG = 0.210 Doptm = 0.320 F = 100 ml/10 ml Aplicando la fórmula tendremos : Glucosa (mg/l) = 20 / 0.210 . 0.320 . 100 /10 = 305 mg/l

RESULTADOS Y DISCUSION

Se probaron diferentes alternativas de calentamiento para la mezcla entre la muestra y la solución de Antrona /Acido sulfúrico, se comprobó experimentalmente que el calentamiento producido por la reacción exotérmica SO4H2 y el agua (en proporción 3:1) generaba establemente suficiente calor para el completamiento de la reacción de formación del derivado del furano, además de ser el método de calentamiento mas económico y sencillo. Es importante señalar, que el uso de diferentes tipos de vasos de precipitados , en volúmenes, tallas, marcas, etc. producen resultados diferentes en los valores de Dopt medidos, lo que es lógico si se piensa en las diferencias de la capacidad calórica entre esos materiales. Es imprescindible seleccionar una caja de beakers, forma alta, entre 20 y 25 ml, de esta manera se garantiza que sean iguales y se asegura un intercambio de calor semejante para todos los ensayos.

Diferentes corridas con soluciones patrones de Glucosa entre 10 mg/l y 100 mg/l, siguiendo el procedimiento descrito, dieron valores de densidad óptica proporcionales a las concentraciones, el ploteo en papel milimetrado de los datos obtenidos resultó siempre en líneas rectas de semejantes pendientes, lo que indicaba que la reacción cumplía con la Ley de Beer y Lambert . La pendiente media de las rectas obtenidas en los ploteos de 6 corridas diferentes fue de 0.010 unidades de Dopt por mg de Glucosa, con una desviación típica (ds) de 0.002. Se observó una cierta variabilidad entre los valores de la densidad óptica de los patrones entre cada corrida experimental, sin embargo entre los valores de una misma corrida existió siempre una buena proporcionalidad entre las concentraciones y la Dopt, donde el factor (Cg/DoptG) presentó una buena repetibilidad. Lo anterior hizo en extremo recomendable el trabajo por series de muestras, las que se corresponden en los cálculos con la Dopt del patrón seleccionado, lo que es una manera de llevar a cabo una calibración interna para la serie, ya que existe un factor de calibración hallado en las condiciones experimentales del grupo de ensayos. La sensibilidad del método según el convenio de tomar dos veces la desviación estándar del blanco medido contra agua destilada , se realizó en 12 ocasiones, fue de 3 mg/l de Glucosa, valor que se considera aceptable si se compara con las altas concentraciones de carbohidratos que vierten a ríos y arroyos los residuales azucareros. Se midió la concentración de Glucosa en 8 corrientes superficiales afectadas solamente por residuales domésticos, el rango de DBO5 fue de 18 a 64, el rango de la DQO fue de 50 a 135. Los valores obtenidos de Glucosa nunca fueron mayores de 15 mg/l. Se aplicó el método en un río afectado por descargas de aguas residuales azucareras en su tramo superior, posteriormente la corriente recibía diferentes aportes de residuales domésticos. Se determino la Glucosa del residual al entrar al río, en el río en diferentes tramos y en el residual doméstico. La DQO fue determinada por el método del dicromato en medio ácido por reflujo (APHA, 1992). Los resultados obtenidos se pueden apreciar en la Tabla 1.

Teniendo en cuenta el comportamiento de la relación DQO/Glucosa a lo largo del recorrido del río, cuyo valor medio fue de 1.75, se puede calcular aproximadamente la DQO que es generada por la concentración de Glucosa remanente, que es el aporte de los residuales azucareros, o sea para el caso de estudio : 192 mg/l multiplicado por 1.75, lo que da un valor de 336 mg/l de DQO. Si la DQO total medida, en el ùltimo punto de muestreo, fue de 420 mg/l se restan los 336 mg/l de DQO relacionados con la Glucosa para calcular el peso relativo de los residuales domèsticos. De esta manera se puede estimar que en el último sitio de muestreo, aguas abajo de la mezcla de ambos residuales, el 80% de la contaminación orgànica es producto del vertimiento de la industria azucarera, el 20% restante es el aporte de los residuales domésticos. Los resultados obtenidos son satisfactorios en término de poder calcular la influencia real de la contaminación producida por descargas azucareras en presencia de mezclas con residuales domésticos.

CONCLUSIONES Se desarrolló un método sencillo para la determinación de carbohidratos en aguas residuales azucareras. El procedimiento analítico es útil como trazador del comportamiento del transporte de la contaminación en cursos de aguas superficiales afectados. El monitoreo y determinación de la Glucosa a lo largo de una corriente superficial afectada por descargas de residuales azucareros y domésticos permite el cálculo de los pesos relativos en términos de contaminación orgánica biodegradable que producen ambos tipos de vertimientos.

BIBLIOGRAFIA American Public Health Association. Standards Methods for the examination of water and wastewater. 19 th. APHA, 1992

TABLA 1 . CONCENTRACIONES DE GLUCOSA Y DQO AGUAS ABAJO DE UN RIO AFECTADO POR RESIDUALES AZUCAREROS Y DOMESTICOS. Sitio del muestreo Residual azucarero Río antes del vertimiento Río 3 km aguas abajo Río 6 km aguas abajo Residual domestico Río aguas abajo ambos vertimientos

Q (l/s)

Glucosa (mg/l) DQO (mg/l)

18

2100

3800

70

8

18

110

358

633

128

288

480

55

10

280

184

192

420