Degradación de proteínas lácteas en aguas residuales

por Dan McKeaton, Químico e I+D, Aquafix, Inc.

Las aguas residuales lácteas suelen contener altos niveles de la compleja proteína caseína, un sólido lácteo con propiedades únicas que dificultan su degradación. Cuando no se degrada una cantidad suficiente de caseína, pueden producirse problemas como una mala sedimentación, formación de espuma, un efluente turbio y una ampliación innecesaria de la planta. Además, la caseína no degradada no libera aminoácidos libres, que contribuyen a la formación de flóculos esenciales. Qwik-Zyme P es un biocatalizador diseñado para iniciar la hidrólisis de la caseína en una forma consumible por las bacterias.

Estudios Qwik-Zyme P

A continuación se muestra la capacidad de Qwik-Zyme P para ayudar en la degradación de las proteínas lácteas. La prueba del grado de hidrólisis es una medida directa de la degradación de proteínas con Qwik-Zyme P, y los estudios de absorción de oxígeno demuestran cómo esto influirá en la eficiencia de la planta de aguas residuales. Realizamos análisis en muestras de aislado de proteína de suero, así como en varias muestras de aguas residuales lácteas. Qwik-Zyme P se aplicó a 10 ppm en todos los estudios siguientes. Las pruebas mostraron una mejora del 88% en la descomposición de proteínas frente al control en la hidrólisis, mientras que tanto las muestras de laboratorio como las de campo utilizadas en las pruebas de absorción de oxígeno presentaron mayores tasas de degradación.

¿Qué es el grado de prueba de hidrólisis?

La prueba del grado de hidrólisis mide la proporción de péptidos (aminoácidos) presentes frente a las proteínas complejas de una muestra. Un mayor grado de hidrólisis indica una mayor degradación. Esto muestra los efectos que Qwik-Zyme P tiene sobre la degradación de la proteína láctea, en este caso, el aislado de proteína de suero.

Pruebas de grado de hidrólisis: Resultados

Figura 1. La figura anterior representa el grado de hidrólisis proteica tras una digestión de 6 horas de aislado de proteína de suero. Se compararon 10 ppm de Qwik-Zyme P con un control sin producto añadido. En este caso, observamos una mejora del 88% en la descomposición de las proteínas con respecto al control.

Aunque el grado de hidrólisis es un método fiable para analizar la eficacia de los biocatalizadores, no capta la imagen más amplia de cómo un biocatalizador afectará a un sistema de aguas residuales. Para una representación más directa de este impacto, hemos incluido un análisis de absorción de oxígeno para Qwik-Zyme P frente al control, utilizando tanto proteína de suero como muestras de campo de plantas lácteas.

¿Qué es la prueba de absorción de oxígeno?

El análisis de la absorción de oxígeno está diseñado para mostrar cómo Qwik-Zyme P influye en la velocidad a la que las bacterias son capaces de metabolizar altos niveles de proteínas. Las bacterias eliminan oxígeno a una velocidad proporcional a la velocidad a la que consumen un sustrato (como las proteínas). Un aumento de la tasa de absorción de oxígeno indica que las bacterias pueden consumir más rápidamente una muestra de aguas residuales. Para el análisis de la absorción de oxígeno, utilizamos bacterias de aguas residuales de nuestro licor de mezcla de laboratorio. En el apéndice se incluye más información sobre nuestro análisis de absorción de oxígeno.

Resultados de las pruebas con aislado de proteína de suero

Figura 2. Aislado de proteína de suero El diagrama anterior muestra el aumento en las tasas de absorción de oxígeno con aislado de proteína de suero con la adición de Qwik-Zyme P en comparación con nuestro control. Observamos un mayor aumento en la tasa de absorción de oxígeno en los primeros 10 minutos de nuestra prueba, en comparación con los últimos 20 minutos. Este análisis muestra que la adición de Qwik-Zyme P aumentó las tasas de degradación de las proteínas en un 63% durante los primeros 10 minutos del estudio, y en un 16% después.

En general, observamos que Qwik-Zyme P mejoró consistentemente las tasas de captación de oxígeno en nuestra prueba con proteínas de suero. Una observación adicional fue que los impactos de Qwik-Zyme P a temperatura ambiente fueron mayores en menos de 10 minutos de prueba, lo que indica que Qwik-Zyme P funciona rápidamente.

¿Qué es un biocatalizador?

En esencia, un biocatalizador tiende un puente entre un sustrato (como una proteína) y las bacterias, proporcionándoles las herramientas que necesitan para consumir el sustrato. Qwik-Zyme P contiene altas concentraciones de una mezcla específica de enzimas y cofactores formulados para la hidrólisis rápida de proteínas como la caseína.

Muestras de campo con aguas residuales lácteas

Nuestro análisis de muestras de campo incluye los resultados de captación de oxígeno de una planta mixta de queso y otra de mozzarella. Ambas plantas tenían cargas elevadas y luchaban por eliminar completamente la DBO, lo que provocaba una sedimentación deficiente y un efluente turbio. La planta de queso mixto estaba considerando una ampliación de la planta. Ambas instalaciones mostraron mejores tasas de absorción de oxígeno con la adición de Qwik-Zyme P, lo que indica una degradación más rápida de las proteínas.

Estudio de caso nº 1, Planta mixta de producción de queso

Figura 3. La figura anterior representa una mejora consistente en las tasas de absorción de oxígeno con la adición de Qwik-Zyme P. En este caso, observamos un aumento del 10% en la pendiente de nuestro gráfico de absorción de oxígeno con Qwik-Zyme P añadido, en relación con el control. Esto significa que la caseína se digirió un 10% más rápido.

Sobre el terreno, este cliente ha observado que la adición de Qwik-Zyme P a su proceso de aguas residuales ha clarificado el efluente y les ha permitido suspender los planes de ampliación de su planta de tratamiento de aguas residuales. Vierten a un sistema municipal de aguas residuales y el efluente más limpio ha frenado las sanciones.

Los datos se muestran después de 5 minutos, ya que tienden a estar menos influenciados por la configuración y son muy variables en este análisis. Encontrará más información al respecto en el apéndice.

Estudio de caso nº 2, Planta de producción de mozzarella

Figura 4. La figura anterior representa un gran aumento en la tasa de captación de oxígeno con la adición de 10 ppm
Qwik-Zyme P. En este caso, la magnitud de la pendiente en nuestra captación de oxígeno con Qwik-Zyme P fue aproximadamente un 80% mayor que el control. Esto representa una mejora importante en la degradación de proteínas en el sistema de aguas residuales. Parece tratarse de un caso en el que estaban presentes altas concentraciones de proteínas en el flujo de residuos, o de un caso en el que las bacterias eran incapaces de producir enzimas de degradación de proteínas.

Conclusión

La degradación de proteínas en un sistema de aguas residuales tiende a ser un proceso ineficaz, por lo que tiene mucho potencial de mejora mediante un producto basado en biocatalizadores como Qwik-Zyme P. Nuestros estudios demuestran que Qwik-Zyme P permite aumentar la hidrólisis, o una mejor digestión, de las proteínas. Se demostró que este aumento de la hidrólisis conduce a un aumento de la tasa de absorción de oxígeno cuando las bacterias de aguas residuales degradan el aislado de proteína de suero. Este aumento de la tasa de absorción de oxígeno representa una mayor eficacia bacteriana en la degradación de proteínas de suero complejas. Este efecto también se observó en muestras de clientes que contenían residuos de la producción de queso, que también contienen estas proteínas complejas. Si tiene alguna pregunta sobre el uso de Qwik-Zyme P en su sistema, póngase en contacto con un representante técnico de Aquafix para que le asesore y le indique posibles estudios para probar la eficacia de QwikZyme P en sus aguas residuales.

Anexo

Uso de Qwik-Zyme P en el campo
Qwik-Zyme P ha sido específicamente formulado para funcionar eficazmente en sistemas de tratamiento de aguas residuales. Sin embargo, su eficacia sigue dependiendo de que se utilice en las circunstancias adecuadas. El tipo y la concentración de proteínas presentes juegan un papel importante en la eficacia de Qwik-Zyme P.

pH: Qwik-Zyme P está formulado para funcionar en un amplio rango de pH. En general, los valores de pH más ácidos (por debajo de 7) harán que la actividad de Qwik-Zyme P sea más lenta, pero mejorarán la estabilidad de Qwik-Zyme P. Qwik-Zyme P tiene la mejor actividad entre pH 7 y pH 10. Los valores de pH superiores a 10 dificultarán la actividad y disminuirán la estabilidad del producto, lo que dará lugar a malos resultados de tratamiento.

Temperatura: Qwik-Zyme P es capaz de funcionar eficazmente en un amplio rango de temperaturas. En general, cuanto
temperatura, más lenta será la actividad, pero también más tiempo persistirá Qwik-Zyme P en un sistema.
En general, Qwik-Zyme P funcionará bien por encima de 20°C (68°F) en la mayoría de las situaciones, pero los sistemas de mayor tasa probablemente experimentarán mejores resultados si las temperaturas son más altas. La máxima eficacia de Qwik-Zyme P se alcanza a 60°C (140°F). Si se espera que las temperaturas sean inferiores a 10°C (50°F), recomendamos consultar con un representante técnico antes de utilizar Qwik-Zyme P.

Sustratos diana: Qwik-Zyme P funcionará eficazmente en una amplia gama de proteínas, pero su eficacia puede variar dependiendo del tipo de proteína presente. Este producto ha sido probado más extensamente en aislado de proteína de suero, pero tenemos planes para llevar a cabo pruebas más extensas en una gama más amplia de sustratos.

La figura de arriba muestra el aumento relativo de la hidrólisis de proteínas con 10 ppm de Qwik-Zyme P en comparación con el control. Incluimos algunos datos adicionales sobre la gelatina frente a las claras de huevo como referencia sobre cómo Qwik-Zyme P puede ser más o menos eficiente en diferentes tipos de proteínas.

No dude en ponerse en contacto con nosotros si tiene alguna pregunta sobre la eficacia de Qwik-Zyme P en su sistema. También realizamos pruebas rutinarias para analizar la eficacia de Qwik-Zyme P en muestras de aguas residuales de clientes.

Métodos de captación de oxígeno

Nuestras pruebas de absorción de oxígeno se realizaron a una temperatura ambiente de 22⁰C, con una concentración de DQO de sustrato estándar de 1000 ppm. El licor de mezcla de aguas residuales se añadió en niveles suficientes para permitir que la duración de la prueba de absorción de oxígeno fuera de entre 30 y 60 minutos. El pH de nuestras pruebas se ajustó entre 7 y 8 y fue constante entre las muestras analizadas. Nuestras pruebas de absorción de oxígeno se realizaron en botellas de DBO de 300 ml utilizando el multi-lab 4010-3W de YSI y las sondas ProOBOD de YSI. Las muestras se mezclaron utilizando placas de agitación magnética ajustadas a 300 RPM durante la duración de la prueba. No dude en ponerse en contacto con nosotros para obtener más información sobre cómo realizamos los análisis de absorción de oxígeno.

Inicialmente realizamos pruebas de captación de oxígeno con 50 mL de nuestro licor mezclado de laboratorio. Suplementamos la DQO en nuestra prueba a 1000 ppm utilizando un aislado de proteína de suero no hidrolizado "tera'swhey" (Wisconsin Specialty Protein, Reedsburg Wisconsin). Los resultados de D.O. se midieron cada minuto durante los primeros 15 minutos de la prueba, y después de otros 15 minutos. Las pruebas se realizaron por triplicado y se promediaron.

Para nuestro análisis de muestras de campo, se recogieron muestras de afluente y licor mezclado de sistemas de aguas residuales lácteas. Realizamos pruebas de absorción de oxígeno en las muestras en los 2 días siguientes a la recepción de todas las muestras para evitar una degradación excesiva de nuestro sustrato de residuos. Las muestras se mantuvieron en hielo después de la recogida y antes de la prueba. Los sustratos se diluyeron a 1000 ppm de DQO antes de la prueba y se combinaron con el licor mezclado para el análisis. Se aplicó Qwik-Zyme P a una dosis de 10 ppm antes de la prueba.

Para el análisis de datos, normalmente nos centramos en los datos después de 5 minutos de nuestro análisis de consumo de oxígeno. En general, las pendientes de nuestro análisis no eran muy lineales durante los primeros minutos de la prueba, lo que hacía que los resultados parecieran menos fiables. Por lo tanto, con nuestro análisis de campo, decidimos eliminar los primeros 5 minutos de datos de los resultados de las pruebas de captación de oxígeno. Esto se ilustra en el diagrama siguiente.

El diagrama anterior muestra las pendientes de absorción de oxígeno de 0 a 10 minutos y de 10 a 30 minutos. Las pendientes de este diagrama representan la tasa de metabolismo bacteriano. Observamos que las tasas de absorción de oxígeno parecían estar muy alineadas después de 10 minutos de degradación (valor R2 >0,99 en la figura 3).