Vinazas de sustratos fermentados y destilados de caña de azúcar: estado del arte de utilizaciones (página 2)

Por todo lo anterior, el objeto de estudio de este trabajo se centró en las vinazas, con el objetivo de realizar una revisión del estado del arte de las principales utilizaciones de las mismas con mitigación medioambiental local, tanto en Cuba como en otros países cañeros-azucareros.

DESARROLLO

Esquema general de las principales utilizaciones de las vinazas con demostradas viabilidades técnico-económica-ambiental.

Recirculación

Normalmente las vinazas originadas con tecnologías convencionales de fermentación alcohólica, están en el orden de 12 L a 15 L por cada L de etanol a 1000 Gay Lussac (G.L.) producido (de la Cruz, 2002), y por lo tanto es una industria gran consumidora de agua. A los efectos de solucionar entre otros este problema, es práctica común la recirculación de vinazas al proceso fermentativo, cuya viabilidad es factible a partir de que el sustrato de caña utilizado sea de alta concentración, toda vez que con jugos de caña no existe esta posibilidad al no requerir dilución. Es por ello que resulta aplicable en destilerías de etanol que fermenten melazas, mieles y/o meladura de caña. En tal sentido, existen firmas que en sus ofertas de destilerías de etanol "llave en mano" generalmente de 300 000 L/día, especifican una reducción a unos 3 a 4 L por cada L de etanol a 1000 G.L. (BPH-PRAJ, 2006; CATIC, 2006). Sin embargo, aun en este caso específico no es una utilización infalible, toda vez que basta que aumenten por encima de lo permisible los ácidos volátiles y fenoles en fermentación, fundamentalmente por el sustrato que se fermente y por contaminaciones, y el proceso productivo se ve afectado en el rendimiento alcohólico, que origina entre otros reducir la recirculación e incluso eliminarla y cambiar la cepa de levadura Saccharomyces cerevisiae (Obregón, 2000; [Ministerio del Azúcar (MINAZ), 2006; Briceño, 2006). No obstante, es al fin y al cabo una alternativa tecnológica de empleo útil de las vinazas con sustratos de caña concentrados, que ahorra agua y reduce el riesgo de que se conviertan las mismas en un residual líquido agresivo al medio ambiente.

Fertirriego

Utilización más ampliamente difundida de las vinazas desde mediados del siglo XX, que aparte del sustancial ahorro de agua que origina en el regadío de la caña donde son empleadas; aporta nitrógeno (N2 que se senalará por N), fósforo (P2O5 que se designará por P) y potasio (K2O que se representará por K) que sustituye fertilizantes químicos de formulación NPK.

La tabla 1 muestra parcialmente un estudio cubano realizado al respecto

Tabla 1.- Balance de N, P y K (Otero, Martínez-Valdivieso & Saura, 2006).

Se aprecia que el K seguido del P son los nutrientes principales que aportan las vinazas a los suelos cañeros, cuando se emplean en fertirriego.

Para su utilización es requisitos determinar realmente las necesidades de cada elemento químico en los suelos donde se aplicarán, y las características edáficas entre otros.

En Cuba se regula esta utilización según una metodología elaborada como norma nacional que se muestra en la Tabla 2, general para residuales de la industria azucarera incluida las vinazas.

Tabla 2.- Criterios de evaluación para las aguas residuales de la industria azucarera que se utilizarán en el riego de la caña de azúcar (MINAZ, 1998).

Estos criterios están avalados por resultados de investigaciones científicas nacionales y extranjeras, realizadas desde la década del 60 del siglo pasado; con un grado de municiosidad muy preciso para su aplicación práctica, con dilución con agua de riego de 1:6 a 1:10 entre otras indicaciones, recogido en este documento. Sin embargo, no siempre es posible su estricto cumplimiento por causa de "fuerza mayor" , que motiva más que su violación su cumplimiento parcial o a medias; lo cual explica que en algunos territorios cubanos los suelos agrícolas cañeros estén saturados y sobresaturado de K, aspecto también reportado en otros países (Paneque & Mazón, 2004; Luis, 2008).

Las vinazas no tienen idénticas características con el mismo sustrato en cada destilería, y mucho menos con sustratos diferentes. Una compilación al respecto se muestra en la Tabla 3.

Tabla 3.- Características medias de vinazas de diferentes sustratos de caña (Obregón, 2005; Valdés, 2007).

Puede apreciarse que los Azúcares Reductores más altos son cuando las vinazas proceden del sustrato jugos de caña energética mezclados, toda vez que estos jugos traen azúcares infermentables naturales desde los cañaverales, lo cual es una de las diferencias con relación a los jugos de caña azucarera tradicionales (Obregón, 2008 b).

La Tabla 4 muestra las dosis a emplear según el tipo de suelo (Valdes, 2007).

Tabla 4.- Fertirriego de vinazas por tipo de suelos

No obstante, antes se indicó que es una guía para estimar, toda vez que hay que caracterizar los suelos primero, determinar el N, P y K, realizar los balances; y entonces aplicar el fertirriego con ajustes de la dosificación.

En época de lluvia -mayo a noviembre en Cuba-, esta utilización de las vinazas tiene sus limitantes, toda vez que por lo general los suelos están muy húmedos o saturados por las lluvias, y cualquier fertirrigación puede escurrir superficialmente hacia arroyos, ríos y presas causando serias contaminaciones en las aguas, con mortandad de peces como lamentablemente hace poco más de 15 años sucedía. La solución se inició con un proceso inversionista que aun continúa, a modo de ejemplo, las siguientes fotos ilustran en una empresa azucarera, uno de los sistemas de fertirriego instalados (Luis, 2008)

En el caso cubano, más del 60% de las vinazas originadas en sus destilerías se utilizan en fertirriego, con el doble propósito de ahorro de agua y enmienda orgánica a los suelos agrícolas cañeros, con demostrados positivos resultados también en la microbiótica de los terrenos, que favorece la formación del humus (Montenegro, 2008); no como una solución paliativa a la disposición final de las vinazas para mitigar el riesgo de daño medio ambiental, como sucedió muy generalizado hasta finales del siglo pasado.

Compost

Las vinazas como tales no son aptas directamente para producir compost, sino, que se incorpora como uno de los componentes nutritivos (Conil, 2008).

Entre otras posibles formulaciones, este rico fertilizante orgánico está compuesto de cachaza, bagazo, cenizas de las calderas que queman bagazo, nutrientes y vinazas. El compostaje ocurre de forma espontánea en la naturaleza por la descomposición de la materia orgánica mediante degradación biológica, hasta la formación natural del humus, que favorece notablemente el restablecimiento de la fertilidad de los suelos. Biotecnológicamente mediante un proceso de fermentación con microorganismos inoculados con excretas animales o cultivos mixtos desarrollados, se transforma en una fuente de C, N, P y K muy buena para los suelos de cualquier cultivo; de allí su amplia utilización en los canteros de la agricultura urbana en Cuba. Este proceso ocurre en 60 a 120 días.

Las firmas antes citadas en el epígrafe de Recirculación, incluye en sus ofertas plantas completa de Compost, que son capaces de asimilar las vinazas que no puedan recircularse, y por ende, son destilerías de producciones limpias al no generar residuales.

Se debe señalar que para utilizar vinazas en el compost, hay un grupo muy variado de formulaciones que utilizan tanto vinazas directa como concentradas a 10%, 30%, 55% y 60% de ST; ello es casuísticamente lugar por lugar, que incluye el entorno socio productivo donde se enclava su producción. En la foto que se muestra a continuación, se ilustra una de estas plantas instaladas en Colombia, así como, el esquema general en base a vinazas concentradas en evaporadores múltiples efecto a 30% de ST (Ximena, 2006).

Planta de producción de Compost

El compostaje con vinazas, ha facilitado el desarrollo de la producción limpia del bioetanol como antes se expresó, que le imprime más competitividad a las tecnologías y plantas que ofertan las firmas citadas y otras (TPCC, 2007).

Energía

La utilización de las vinazas como fuente de C energético, tiene dos vertientes principales, su concentración y combustión en calderas de vapor para generar electricidad entre otros, y como sustrato para la producción de biogás.

Vinaza como combustible

Esta utilización no está generalizada, y se reporta al menos dos calderas de vapor en Tailandia que combustionan vinazas concentrada con un poder calórico entre 1621 y 1871 kcal/kg con punto de ignición o flama de 4800C (García & Rojas, 2006), con el propósito de generar vapor para cogenerar electricidad y utilizarlo en el proceso tecnológico. La Tabla 5 compila las principales características de vinazas con 10% (V10) y 60% (V60) de ST.

Tabla 5.- Principales características de las vinazas concentradas

Aunque las vinazas que se concentran en diferentes lugares al 10%, 30%, 55% y 60% de ST se han colocado en este aspecto como combustible, no significa que se utilizan para este único propósito; sino, que debe precisarse que en el orden de utilizaciones de mayor a menor pueda enmarcarse en la secuencia siguiente: fertilización (el más empleado), sustrato para compost, producción de biogás y biosólidos, piensos, medio de cultivo para microorganismos, incineración, materiales de la construcción y agente plastificante (López, 2000, 2001;García & Rojas, 2006).

Vinaza como sustrato para biogás

Las vinazas directas han sido tradicionalmente un sustrato que transformado biológicamente origina el biogás, mezcla de varios gases donde predomina el metano (CH4) que es el combustible. Ello se origina y escapa a la atmósfera en las lagunas de oxidación, como la que se muestra en la foto (Luis, 2008).

Laguna de oxidación de la destilería Paraíso, Sancti Spíritus, Cuba

Este proceso ocurre con diferentes microorganismos en tres etapas definidas:

acidogénesis, acetogénesis y metanogénesis. Las fotos que se muestran ilustran el pool de microorganismos participantes (Aivasidis & Diamantis, 2005).

El CH4 es más de 20 veces favorecedor del calentamiento global que el CO2, de allí la fuerte política de eliminarlas al menos en Cuba, mediante un programa inversionista en ejecución. En tal sentido existen dos destilerías cubanas que tienen instalaciones para producir biogás de vinazas, de las que se muestran las siguientes fotos y los esquemas generales tecnológico de una firma europea (Linnenberg, 2006).

Reactor UASB

Laguna cubierta con colector

En ambos casos aun en fase demostrativa, se derivarán las decisiones específicas a tomar, toda vez que no existe una solución única para biogás a partir de vinazas, situación también presentada en otros países cañeros azucareros (Briceño, 2006; Valsechi, 2007).

Hasta el momento en Cuba el empleo del biogás de vinazas de destilería, se localiza en la cocción de alimentos e iluminación. Las siguientes fotos ilustran lo expuesto.

Biogás para cocción

Biogás para iluminación

En la Tabla 6 se muestra una caracterización del biogás a partir de vinazas en Cuba y la Tabla 7 los lodos empleados como biofertilizantes ([Instituto Cubano de los Derivados de la Caña de Azúcar] ICIDCA, 2006)

Tabla 6.- Características del biogás

Tabla 7.- Características de los lodos anaerobios

Los lodos tienen un alto valor agregado y mercado garantizado. Muchas poblaciones rurales de Viet Nam conceden más importancia a esta producción que al propio biogás, toda vez que este último es para autoconsumo doméstico en la cocción de alimentos, mientras que el biofertilizante lo comercializan en el mercado interno que les origina fuentes de ingresos monetarios.

Existen estudios económicos cubanos para producir vapor en calderas de centrales azucareros y destilerías, que utiliza el biogás de vinazas como combustible (López, Romero & Barrera, 2007),

Hoy día de otros sustratos en particular excretas vacunas y porcinas, se produce biogás que se utilizan también para generación de vapor en calderas industriales, motores de combustión interna con generador eléctrico acoplado, biocombustible automotor para autos ligeros y camiones de mediano porte, existentes en localidades específicas de la geografía cubana y en otros países.

La Tabla 8 ilustra características generales de utilizaciones (Hilbert, 2006).

Tabla 8.- Caracterización del empleo del biogás

Alimento Animal

Después del fertirriego, es la segunda mayor utilización de las vinazas en Cuba que tiene varias vertientes: consumo directo o concentrada por animales poligástricos y monogástricos (Díaz, 2002; Lezcano & Mora, 2004) y como sustratos para producir levadura torula forrajera. En otros países de Centro y Sur América, existe una gama de utilizaciones mayores (Obregón, 2008 b).

Desde finales de la década del 60 del siglo pasado, en el ICIDCA se hicieron investigaciones a los efectos de utilizar vinazas de destilerías, como sustrato para producir levadura forrajera torula; que en la década del 80 llegaron hasta pruebas demostrativas en dos plantas industriales donde se constató su viabilidad técnico económica (Estévez, 2004). De estas experiencias acumuladas, se inició en Cuba el rediseño y reubicación al lado de destilerías,

de plantas de levadura torula europeas adquiridas e instaladas en la década del 70, de las cuales existen tres en funcionamiento normal al cierre 2008.

En la Tabla 9 se muestra la caracterización general.

Tabla 9.- Indicadores básicos de explotación/t torula base seca

(Estévez, 2004).

Se puntualiza que de las 4,2 t de Miel Final de caña de azúcar/t torula base seca contractuales de esa fecha, se pasó a cero al sustituirse por 65 m3 de vinazas, es decir, que estas últimas se convirtieron de residual en sustrato.

El siguiente diagrama de bloque, sintetiza el proceso tecnológico flexible que prevé también el uso de Miel Final de la producción de azúcar (Estévez, 2004).

Puede apreciarse que se originan Efluentes cuya carga orgánica es de 30% a 50% menor que la vinaza original, por lo que tiene la función asociada de planta de tratamiento de vinazas. Su utilización es hasta el momento en fertirriego también, lo cual no forma parte del contenido de esta monografía, pero no deja de ser interesante esta provechosa utilización de las vinazas, antes de cerrar un ciclo hídrico industria-agricultura.

Las siguientes fotos muestran parte de las instalaciones industriales rediseñadas ejecutadas en Cuba (ICIDCA, 2007).

No puede dejar de observarse el aspecto de la palatabilidad, ya que si bien las torulas producida con melaza o con vinaza son muy similares en su riqueza proteica y sillares aminoácidos, sus sabores no son exactamente iguales.

Se ha observado en el caso de la crianza porcina, que un cambio de un tipo a otra conlleva un período de adaptación, aspecto que no es privativo de estas torulas, ya que también se ha manifestado igual comportamiento de los cerdos con soyas diferentes.

Otros

Con anterioridad se hizo referencia en el epígrafe Energía a la utilización de las vinazas como componente de medios basales para el cultivo de microorganismos, y en la construcción entre otros.

Atenido a la memoria histórica, en la década del 50 del siglo pasado en varias oportunidades al menos en el poblado de Tuinucú de Sancti Spíritus, las vinazas de la destilería Paraíso fueron rociadas superficialmente en las calles de tierra y terraplenes, que una vez que impregnaban la misma, se solidificaban aunque no alcanzaba la dureza y característica del asfalto. Posteriormente con el asfaltado de las vías se abandonó esta práctica.

Experimentos más recientes demostraron en el mismo lugar, la factibilidad técnico y económica de su utilización como agente fluidifizante de pastas crudas de cemento, en una fábrica de este material de la construcción situada a 12 km, con significativos ahorros de agua (López, 2001).

Otros proyectos con innovaciones tecnológicas realizadas en el Valle del Cauca en Colombia, han permitido la obtención de las vinazas en polvo con una gama amplia de utilizaciones en la agricultura y la industria (Irisarri, 2005); que comprende entre otros, las de complejo polimérico fluidificante en la producción de concreto para la construcción, con sustanciales ahorros de agua similar al anterior.

Consideraciones finales

El autor valora que no ha sido una revisión exhaustiva de las utilizaciones de las vinazas, ya que definió en el objetivo solo las principales, a los efectos de compilarlas en una sola monografía; que sirva de referencia para estudiantes y estudiosos, científicos (as) e investigadores (as), ingenieros (as) y técnicos medio entre otros; relacionados directa o indirectamente con el tema.

En el caso cubano se precisó que el fertirriego y sustrato para producir levadura torula forrajera, son las principales utilizaciones actuales.

Una consideración general al respecto permite percibir, que las vinazas que aun siguen consideradas como un residual líquido muy agresivo al medio ambiente, han ido transformándose con el empleo de la ciencia y de la técnica, en una fuente de materias primas para otros destinos productivos, aunque actualmente en casi todos lugares donde existen destilerías de alcohol, la percepción social no ha cambiado.

La inevitable explosión en curso de la producción del bioetanol como agrocombustible, conlleva siempre el análisis y toma de decisiones sobre el par agua-vinaza caso por caso, en el contexto socio económico donde se enmarque, y las regulaciones legales medio ambientales y de otros tipos vigentes según el país, donde siempre hay que tener presente que la variable común en cualquier lugar la especie humana, es parte del medio ambiente.

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Autor:

Dr. C. Ing. Joaquín de Jesús Obregón Luna

Ciencia y tecnologia

Agricultura y ganaderia