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