Content of microorganisms in the cooling water of piping machine in a rubber plant

Zulay Niño*, Sergio Pérez y Marialena Vásquez

Unidad de Investigación en Ingeniería de Procesos, Escuela de Ingeniería Química, Facultad de Ingeniería, Universidad de Carabobo. Avenida Bolívar 125-39, Bárbula, Venezuela. Telf. 58-414-4294108. *znino@uc.edu.ve

Abstract

The excessive growing of microorganisms, surpassing the established levels; in the cooling water of piping machine (entubadoras) in a rubber company diminish the adhesiveness of band tires during its manufacturing, affecting the quality of the final product. This investigation has as purpose the evaluation of alternatives to control the content of microorganisms in the cooling water. For this, was necessary: determine the pollution focus; the adequate doses of biocides used to control growing of microorganisms, and to analyze the effect produced by biocides studied over adhesiveness of band tires. From this research the fact that the development of bacterium is found on the tank and cooling train, because the path that the water follows was found microorganisms free. In the evaluation to ideal conditions, the biocide proved showed a high level usefulness in relation to the one used nowadays; in the evaluation in situ the efficiency of the biocides was considerable reduced, the biocide used nowadays reduced half of its usefulness while the studied one reduced only in 33% in comparison with the evaluation done out of the equipment.

Key words: Cooling water of piping machine (entubadoras), growing of microorganisms control, biocides, useful time life.

Control del contenido de microorganismos en el agua de enfriamiento de las entubadoras de una planta cauchera

Resumen

El crecimiento excesivo de microorganismos, sobrepasando lo niveles establecidos, en el agua de enfriamiento de las entubadoras de una empresa cauchera disminuye la pegajosidad de las bandas de rodamientos de neumáticos durante su fabricación, afectando la calidad del producto final. Esta investigación tiene como objetivo evaluar alternativas para controlar el contenido de microorganismos en este tipo de agua de enfriamiento. Para ello fue necesario: determinar los focos de contaminación; determinar las dosificaciones de biocida adecuadas para el control de los microorganismos y analizar el efecto producido por los biocidas estudiados sobre la pegajosidad de las bandas de rodamiento. Del estudio realizado se pudo determinar que el desarrollo de bacterias se encuentra en el tanque y tren de enfriamiento, ya que el recorrido que realiza el agua previo al tanque de las entubadoras, se encontró libre de microorganismos; en la evaluación a condiciones ideales, el biocida probado presentó un mayor tiempo de vida útil con respecto al biocida actualmente utilizado; en la evaluación in situ, la eficiencia de los biocidas se redujo considerablemente, el biocida utilizado actualmente redujo a la mitad su vida útil mientras que el estudiado se redujo solo en 33%, en comparación con la evaluación fuera del equipo.

Palabras clave: Agua de enfriamiento de entubadoras, control del contenido de microorganismos, biocida, tiempo de vida útil.

Recibido el 30 de Junio de 2006 En forma revisada el 30 de Julio de 2007

Introducción

Una de las partes que conforman un neumático es la banda de rodamiento. Para su elaboración, las gomas que salen del Banbury son llevadas hasta las entubadoras en donde por un proceso de extrusión la goma obtiene la forma especificada del rodado.

Los rodados al salir de la extrusora poseen una elevada temperatura debido a la gran cantidad de calor generado producto del quebrantamiento de los polímeros y de las pérdidas por fricción que ocurren en dicho equipo [1]. Para prevenir el pre-curado debe reducírsele la temperatura, tan rápido como sea posible, antes del proceso de vulcanización, pasando el producto extruido por unos transportadores en donde es rociado con agua de enfriamiento, recirculada en el proceso, tal como se muestra en la Figura 1. En el contacto del agua de enfriamiento con los rodados, ésta arrastra diversas partículas que la contaminan, tales como negro de humo, promoviendo un crecimiento acelerado de microorganismos [2, 3], lo que origina concentraciones de bacterias fuera los límites admisibles. El crecimiento bacteriano debe ser controlado para evitar problemas de adhesión de las bandas de rodamientos, ya que una alta concentración de bacterias origina la formación de lodo o limo que se adhiere a los rodados restándole pegajosidad, lo que al momento del armado afecta la calidad del producto final, pudiendo ocasionar el desprendimiento de las partes estando el neumático en servicio [1].

Según Brock [4] el crecimiento de microorganismos depende de la concentración de nutrientes y de factores como temperatura y pH. Existe una temperatura mínima por debajo de la cual no tiene lugar la proliferación, una temperatura óptima en la que el crecimiento es más rápido y una temperatura máxima por encima de la cual no es posible el crecimiento [5]. En cuanto a la acidez y alcalinidad (pH) cada organismo suele tener un nivel de pH dentro del cual es posible su desarrollo y un pH óptimo bien definido. Las bacterias muestran un crecimiento óptimo en un intervalo de pH de 6,5 a 7,5, con límites de crecimiento entre 4,0 y 10,0 [4].

Se realizan limpiezas semanales del equipo y de los tanques de agua de enfriamiento y se añaden dosis de biocida; sin embargo, en el transcurso del proceso, los niveles de microorganismos se incrementan y es necesario adicionar nuevas dosis, las cuales no pueden excederse ya que afectarían la adherencia de los rodados al resto de los componentes del neumático, afectando directamente la calidad del caucho, y las bacterias podrían tornarse inmunes [6].

En este trabajo se determinaron las causas que originan el crecimiento bacteriano y se evalúa el tratamiento químico que mejor se adapte a las necesidades del proceso para ser empleado como método de control de microorganismos, con el fin de cumplir con las exigencias de calidad del producto final y reducir el consumo de agua suavizada y de biocida en dicho equipo.

Metodología

Diagnóstico de las condiciones de operación en las entubadoras

Se realizaron inspecciones visuales del proceso, para verificar la correcta ejecución de las labores de limpieza durante las paradas de planta, observando detalladamente todas las partes que conforman el sistema de enfriamiento. Las inspecciones se efectuaron los inicios de semana durante el primer día de operación del equipo, efectuándose un total de 17 inspecciones. Para ello se elaboró unas hojas de verificación o de chequeo (Check list) de limpieza y mantenimiento del equipo.

Determinación del comportamiento de los microorganismos en el proceso

Se realizó un muestreo del agua de enfriamiento los días de operación de la entubadora (sin incluir fines de semana), tomando 20 muestras los dos primeros meses de la evaluación, 22 muestras el tercero y 17 el cuarto mes. Las muestras se tomaron en un “beaker” de 1000 mL, directamente del tanque de almacenamiento de las entubadoras, durante la operación del equipo, después que se adicionaba el biocida. Los análisis fisicoquímicos realizados fueron [7]: pH (4500-H+), turbidez (2130B) y dureza total (2340C). Para determinar la carga bacteriana presente en cada muestra se realizaron los análisis bacteriológicos mediante el test de coloración microbio quick test [8].

Determinación de los focos de contaminación que permiten el crecimiento bacteriano

Se estableció una fase de muestreo en diferentes puntos del equipo. Las muestras fueron tomadas en la entrada y salida de agua dura del filtro de arena previo a los suavizadores, a la salida de agua tratada en cada uno de los suavizadores, en la tubería de entrada de agua suavizada al tanque de almacenamiento de las entubadoras, en el tanque de almacenamiento de agua de enfriamiento y en los rociadores. Se tomaron muestras diarias por triplicado, durante dos semanas, para un total de 10 días de muestreo. Para su captación se utilizaron recipientes de vidrio. Se realizaron los ensayos microbiológicos mediante el método de siembra en placas [9], considerado más seguro que el usado en la parte anterior. Se inocularon tres placas por cada punto de muestra. Adicionalmente se determinó el pH y la turbidez.

Evaluación del tratamiento con dos biocidas

Se probaron dos tipos de biocidas, ambos bajo la clasificación de no oxidantes [10, 11, 12], el primero de ellos (biocida #1), utilizado actualmente en la empresa, esta basado en una mezcla de nitratos de magnesio con isotiazolina, mientras que el segundo (biocida # 2), adquirido para prueba, contiene como principio activo una mezcla de isotiazolinas. Se realizaron las pruebas durante 6 semanas. Cada semana se evaluó una concentración diferente de cada biocida utilizando 70, 120 y 150 ppm de producto. Se determinó la carga bacteriana, así como también el pH y la turbidez en cada muestra. Se recolectaron muestras del tanque de las entubadoras, diariamente de lunes a viernes, antes y dos horas después de la dosificación del biocida.

La determinación del tiempo de acción o tiempo de residencia de los biocidas en el agua de enfriamiento se efectuó directamente en el equipo y de manera externa al mismo, considerando condiciones ideales. Se trabajó durante seis semanas, la primera, tercera y quinta con el biocida # 1 y las restantes con el biocida # 2. Se recolectó agua de las entubadoras y se colocó en tres recipientes, se dosificó cada uno con una dosis diferente del biocida estudiado, utilizando dosis de 150, 180 y 200 ppm. Las muestras fueron recolectadas por triplicado, la primera, la segunda y luego cada dos horas hasta cumplir 10 horas después de la adición del producto. Para la evaluación directa en el equipo, al mismo instante que se dosificaron las muestras externas, se le incorporó la dosis de 200 ppm de biocida. Se comparó el tiempo de residencia de ambos biocida a esta concentración máxima, con el obtenido en condiciones ideales. Se cuidó de iniciar el proceso al momento de arranque el equipo, después de la limpieza semanal y con condiciones iniciales iguales para ambos biocidas. Se determinó la carga bacteriana, así como también el pH y la turbidez en cada muestra.

Análisis de la influencia de las concentraciones de los diferentes biocidas sobre la pegajosidad de las bandas de rodamiento

Para determinar el efecto que produce las concentraciones de los distintos biocidas sobre la pegajosidad de las bandas de rodamiento, expresada esta última como la fuerza necesaria para separar dos materiales de la misma naturaleza a una velocidad constante, se realizó un diseño estadístico de experimentos [13]. El arreglo se basó en un diseño factorial con dos factores. Uno de ellos el tipo de biocida, seleccionando dos niveles para el mismo (biocida #1 y biocida #2) y como segundo factor las concentraciones, estableciendo para ellas tres niveles de prueba (150, 180 y 200 ppm), las cuales están dentro del rango máximo recomendado, generando seis combinaciones posibles con tres réplicas cada uno, lo que representa un total de 18 ensayos experimentales. El análisis de los datos se realizó a través del software Minitab 13.1 [14].

Resultados y Discusión

Condiciones de operación en las entubadoras

Se encontró que la etapa de enfriamiento cumple un ciclo cerrado. El agua es cambiada semanalmente cuando se realiza la limpieza general del equipo; sin embargo, en ocasiones es necesario vaciar parte del contenido del tanque cuando existen parámetros fuera de especificación, por ejemplo alta carga bacteriana, desperdiciando así grandes cantidades de agua y por ende aumentando el consumo de biocida. Existen diversos aspectos que propician el desarrollo de los microorganismos tales como: la falta de mantenimiento del equipo y el tipo de materiales empleado en su construcción. A medida que transcurren los días de operación el nivel de suciedad del agua aumenta incrementando consigo la carga bacteriana.

Comportamiento de los microorganismos en el proceso

En la Tabla 1 puede observarse el comportamiento de la población bacteriana, para un mes de operación del equipo y la aplicación de dosis de biocida de 2,0; 2,5 y 3,0 L con una frecuencia diaria o inter-diaria. Los días de inicio del ciclo, correspondientes al arranque de la planta (1, 8, 15, 22 y 29 del mes mostrado en la Tabla 1) se aplicó una dosis mayor (3 litros), aplicándose dosis subsiguientes iguales o inferiores, en caso de estar fuera de especificación. A pesar de las concentraciones aplicadas la tendencia del desarrollo bacteriano fue hacia el millón de organismos mientras que para algunos días de arranque de planta (22 y 29) se observa que si se alcanzan los niveles de especificación ( 100.000 org /mL), ya que se encontraba reciente la limpieza y se había efectuado la reposición del agua. No obstante; no en todos los inicios de semana se mantuvo el nivel dentro de especificación indicando que las limpiezas no fueron efectuadas eficientemente.

De la evaluación de la influencia del pH sobre el crecimiento bacteriano se observó que se mantiene el pH en el agua de proceso en el óptimo para el crecimiento de bacterias [4], ya que éstas se desarrollan en medios de 6,5 a 7,5 con límites de 4,0 y 10,0. Por su parte la dureza total se encuentra dentro de especificación.

En lo relativo a la turbidez, para el sistema en estudio es recomendable valores entre 0-20 NTU, en muchas ocasiones los valores están muy cerca del límite superior e inclusive lo superan. Al inicio de las pruebas pudo observarse que los valores son bastante elevados, pero a medida que se enfatizaba en la importancia de una buena limpieza los valores disminuyeron a niveles moderados, aunque en algunos arranques los valores continuaban siendo elevados y se incrementaban a medida que transcurría la semana de operación del equipo. Los valores elevados de turbidez muestran la gran cantidad de impurezas del agua y a su vez indican que existe un alto crecimiento bacteriano. Al mismo tiempo, la presencia de bacterias en el agua eleva el valor de la turbidez de la misma.

Focos de contaminación que permiten el desarrollo y crecimiento de las bacterias

En la Tabla 2 se muestran los valores promedio en cuanto a carga bacteriana se refiere de los diferentes puntos donde se tomaron las muestras, observando como el agua proveniente de los sistemas previos al llenado del tanque como los puntos en el filtro y los cinco suavizadores se encuentra libres de microorganismos, descartando así cualquier fuente de bacterias proveniente del agua de alimentación, evidenciando que la contaminación proviene directamente del equipo.

Evaluación del tratamiento con dos biocidas

En esta fase de prueba se evaluaron dos tipos de biocida (biocida#1es el empleado por la empresa, mientras que el biocida # 2 enperíodo prueba) en tres concentraciones diferentes (70, 120 y 150 ppm) que pudieran emplearse como dosis diarias de control, determinando cuáles de ellas proporcionaron, diariamente, la mejor reducción de microorganismos. Por cada semana de prueba fue incrementada la dosis de biocida. Los análisis efectuados consistieron en la determinación de la carga bacteriana contenida en el agua de enfriamiento antes de adicionar biocida y luego de su adición, para de ese modo obtener el porcentaje de reducción diaria de microorganismos.

En la Figura 2 se muestran los porcentajes de reducción de microorganismos por día para la concentración de 150 ppm de los biocidas utilizados, se aprecia como a medida que transcurre la semana el porcentaje de reducción de microorganismos es cada vez menor, producto de la contaminación que presenta el agua, lo que origina que la población bacteriana sea cada vez mayor y una misma dosis de biocida no sea suficiente, además que la acción del biocida puede ser inactivada debido a las condiciones de suciedad del sistema. Otra variable que puede incidir sobre la acción del biocida es que la concentración del mismo disminuya producto de las pérdidas de agua presentes en el sistema y por consiguiente no mantenga el residual por el tiempo suficiente para eliminar las bacterias, ya que las pérdidas de agua hacen que descienda el nivel y por consiguiente es necesario la reposición de agua tratada.

Se observa en la Figura 2 como el biocida # 2 a pesar de no incluir todos los valores dentro de las especificaciones requeridas por la corporación, presenta un mejor rendimiento al momento de eliminar los microorganismos obteniendo los porcentajes de reducción más elevados.

Es importante aclarar que por muy efectivo que sea un biocida el mismo posee un tiempo de acción finito, no obstante la evaluación de los productos químicos comprende el estudio de la eficiencia de los mismos como métodos de control y aquel que proporcionen los valores deseados por mayor tiempo implicaría la mejor opción a la hora de seleccionar el tratamiento adecuado.

A fin de determinar el tiempo de vida útil de los dos biocida y obtener aquella(s) concentración( es) que satisfaga(n) las especificaciones requeridas, se seleccionaron las dosis de 150, 180 y 200 ppm las cuales están comprendidas dentro del rango de dosificación máximo que puede utilizarse para los arranques de planta. El propósito de la prueba estuvo basado en la determinación del tiempo de vida útil de los biocida en su dosis de choque y así establecer en que momento será necesaria una nueva dosificación de producto.

Los factores y/o variables que influyen sobre el biocida son difíciles de manejar y/o controlar así como también no se puede mantener estable la carga inicial de bacterias que existe en el sistema. Todo esto impide obtener una igualdad de condiciones iniciales para una evaluación precisa de los biocidas. Por consiguiente, se llevó a cabo una serie de pruebas considerando las mismas condiciones iniciales para cada concentración a evaluar, es decir, las pruebas se realizaron de manera externa al equipo sin adición de nuevos contaminantes ni pérdidas de agua que provoquen el derroche de producto químico, para así determinar que tan eficiente es cada biocida y cual es su tiempo de acción. La evaluación se llevó a cabo recolectando muestras del agua de las entubadoras a una misma condición y en cada muestra se incorporó la concentración de biocida correspondiente. De estas se tomaban muestras en intervalos de dos horas para de ese modo obtener datos de la carga bacteriana promedio en función del tiempo.

En la Figura 3 se aprecia como durante las primeras horas de contacto del biocida, existe un descenso considerable del número de bacterias y a medida que avanzan las horas comienza nuevamente el crecimiento de la población bacteriana.

La eliminación de los microorganismos no depende solamente de la concentración del biocida sino también del componente activo del agente bacteriológico. Esto se comprueba debido a que con ambos biocidas se probaron las mismas concentraciones y se observa como el biocida # 2 tiene un mejor comportamiento en cuanto a la cantidad de bacterias eliminadas, además de que se mantiene la reducción de los mismos por mayor tiempo en comparación con el biocida # 1, ya que se toma como tiempo de vida o tiempo de acción del biocida el tiempo transcurrido hasta el momento en que se inicia nuevamente el crecimiento bacteriano, el mismo ha dejado de ser efectivo. En este sentido se tiene que el biocida # 1, aun a una elevada concentración (200 ppm) presenta un tiempo de vida de aproximadamente 4 horas, además de que elimina menor número de bacterias; por otro lado, el biocida #2 presentó un período de vida entre 8 a 10 horas, aunque aun para este tiempo se encuentran valores dentro de especificación.

Como los resultados anteriores son producto de evaluaciones externas al equipo, asumiendo condiciones iniciales ideales, en donde la acción del biocida no se ve afectada por ningún factor externo a la cantidad de bacterias, la efectividad de los mismos y el tiempo de acción pueden variar al momento de ser aplicados en el equipo bajo condiciones variables. Para comprobar este efecto, se llevó a cabo una comparación de ambos biocida en el equipo, en semanas diferentes aplicando la dosis máxima permitida de 200 ppm, tomando muestras en los períodos de tiempos antes establecidos.

Los resultados de dicha evaluación se pueden observar en la Figura 4, donde se muestra como una vez más el biocida # 2 arroja los mejores valores en cuanto a la eliminación y reducción de microorganismos en el agua de enfriamiento. Aunque dicha disminución sólo se alcanzó durante un máximo de 4 horas, ya que luego de este tiempo se muestra un crecimiento alcanzando los límites de especificación. El tiempo de vida útil para ambos biocidas se reduce significativamente a tal punto que el biocida # 1 después de un período de 2 horas queda totalmente inactivado, presentando un crecimiento bacteriano con valores fuera de especificación por encima de los 400000 org./mL 10 horas después de la adición.

Esta corta duración de los biocidas puede atribuirse, entre otras razones a las pérdidas de agua que existen en el equipo por donde se desperdicia producto químico, adicionalmente, la acción del biocida se ve desactivada debido al ensuciamiento del sistema con partículas de negro de humo, grasa y lodo.

Influencia de las concentraciones de los diferentes biocidas sobre la pegajosidad de las bandas de rodamiento

Para evaluar la cantidad o dosificación de los biocidas utilizados que puede ser aplicada sin disminuir la pegajosidad de las bandas de rodamiento, se realizó un diseño estadístico de experimentos. Los resultados se muestran en la Tabla 3. Para el caso de la concentración el valor de 5,32 es mayor que F_0,05,2,12=3,89[13], por lo que se puede concluir que la concentración de los biocidas si posee una diferencia significativa sobre la pegajosidad. El tipo de biocida con un F=2,41, el cual es menor que F_0,05,1,12=4,75[13] no afecta significativamente el valor de la pegajosidad de las bandas de rodamiento. Por su parte el término tipo de biocida *concentración presento un valor de F=0,17 menor que el de 3,89, lo que representa que no existe interacción evidente de los factores y por consiguiente no hay efecto de interacción sobre la variable respuesta.

Conclusiones

A partir de los resultados obtenidos se pueden indicar las siguientes conclusiones:

1. La falta de mantenimiento de las entubadoras y la deficiencia en las labores de limpieza, así como el avanzado estado de corrosión contribuyen a la formación de focos de reproducción y desarrollo microbiológico.

2. El recorrido previo al tanque de las entubadoras que realiza el agua de enfriamiento se encontró libre de microorganismos, demostrando que el desarrollo de bacterias se encuentra en el tanque y tren de enfriamiento.

3. En la evaluación a condiciones ideales, el biocida #2 presentó mayor tiempo de vida útil con respecto al biocida # 1.

4. En la evaluación in situ la eficiencia de los biocidas se redujo considerablemente, el biocida # 1 paso de 4 a 2 horas activo y el biocida #2 estuvo activo sólo por 4 horas en comparación con las 6 horas en la evaluación fuera del equipo (33% de reducción). 5. Estadísticamente se demostró que los tipos de biocidas evaluados no presentan influencia significativa sobre la pegajosidad de las bandas de rodamiento, mientras que la concentración aplicada si es significativa.

Referencias Bibliográficas

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