UNIVERSIDAD NACIONAL AGRARIA

LA MOLINA

CICLO OPTATIVO DE PROFESIONALIZACIÓN EN GESTIÓN DE CALIDAD Y AUDITORÍA AMBIENTAL

“REUTILIZACIÓN DE VINAZAS PRODUCIDAS

DURANTE LA DESTILACIÓN ALCOHÓLICA”

Presentado por:

LORENA GUARDIA VELARDE

MARCO RUIZ SERKOVIC

TESIS PARA OPTAR EL TÍTULO DE:

BIÓLOGO

Lima

2010

I. ASPECTO METODOLÓGICO

En el presente estudio, la información obtenida de la empresa fue recabada en el mes de Enero del 2010. La obtención de muestras, trabajo de laboratorio y revisión de data fue realizada en conjunto con el personal de la Destilería Casa Grande. La vinaza recolectada fue caracterizada por medio de pruebas de laboratorio in situ y post campo, dichos resultados fueron utilizados para evaluar la reutilización de la vinaza obtenida durante el proceso de fermentación industrial. 1.1 Toma de muestra Las muestras se colectaron durante la destilación en el punto de descarga de vinaza. El personal recolectó cuatro muestras por día (9:00, 12:00, 15:00 y 18:00 horas) por triplicado para los análisis de pH y °Brix. 1.2 Medición del caudal de vinaza La medición del caudal fue determinada por medio de una hoja de cálculo obteniéndose un aproximado del volumen total de vinaza producida diariamente durante el proceso de destilación. Las variables involucradas en el cálculo fueron:

Producción de Alcohol Rectificado : X L

Producción de Alcohol de Segunda : Y L

Producción de Vino : A L

Grado Alcohólico del Vino : a GL

Grado Alcohólico de Alcohol Rectificado : x GL

Grado Alcohólico de Alcohol de Segunda : y GL

Eficiencia de la Planta Zanini-Casa Grande : 98,5% (valor predeterminado)

La serie de ecuaciones que involucran a cada una de las variables se encuentran a continuación:

1. Obtención de Grado Alcohólico del Vino:

a GL * 98.5% = a’ 2. Obtención de Alcohol Anhidro:

X L * (x GL) = X’ L de alcohol anhidro

Y L * (y GL) = Y’ L de alcohol anhidro 3. Producción Total de Alcohol Anhidro

X’ L de alcohol anhidro Y’ L de alcohol anhidro = Z L alcohol anhidro 4. Producción Total de Vino

Z L / a’ = A L 5. Producción Total de Vinaza

A L – Z L = Total Vinaza Producida en Litros por día. 1.3 Determinación del pH y °Brix Las determinaciones de pH se realizaron potenciométricamente y la determinación del °Brix mediante un sacarímetro de °Brix, ambos en el laboratorio de la empresa. Como el proceso de destilación es continuo, también lo es la descarga de vinaza, por este motivo las tomas de muestras se realizaron cuatro veces por día (9:00, 12:00, 15:00 y 18:00 horas) y por triplicado. Todas las mediciones de pH fueron realizadas con instrumentos previamente calibrados. 1.4 Evaluación de la Vinaza Las muestras de vinaza fueron analizadas en el Laboratorio de Análisis de Suelos, Plantas, Aguas y Fertilizantes de la Universidad Nacional Agraria La Molina, para los siguientes parámetros:

1. pH 2. Conductividad Eléctrica 3. Sólidos totales 4. Materia orgánica en solución

5. Carbono 6. Nitrógeno 7. Potasio 8. Fósforo 9. Magnesio, Calcio y Sodio 10. Metales Pesados (Plomo, Cadmio y Cromo)

1.5 Formulación de una propuesta técnica y económica de reutilización Para la determinación de la viabilidad técnica y la formulación de las propuestas de reutilización de la vinaza, se llevó a cabo una evaluación de los resultados obtenidos en los análisis del laboratorio in situ y post campo. Contrastando los resultados con las opciones de reutilización (compostaje, digestión anaerobia, fertirrigación y alimento animal), se establecerán cual o cuales podrían ser factibles y/o viables en su implementación en base al cumplimiento de los siguientes requisitos:

1. Marco legal: Decreto Supremo N 002-2008-MINAM (Estándar Nacional de Calidad Ambiental para Agua, Categoría 3: Actividades de Riego de Vegetales de Tallo Bajo y Tallo Alto), AAFCO (Association of American Feed Control Officials) y Comisión Nacional del Medio Ambiente - CONAMA (Contenido máximo de elementos traza en materias primas para compostaje);

2. Asociación de la propuesta a la actividad productiva actual de la empresa; y 3. Tecnología, insumos (materia prima, agua) y área disponible.

La propuesta elegida deberá cumplir como mínimo con los tres requisitos planteados anteriormente.

II. PLANTEAMIENTO DEL PROBLEMA

Toda actividad productiva genera residuos (sólidos, líquidos, gaseosos o una combinación de estos) que deben ser tratados y dispuestos de manera que su impacto negativo a la salud humana y al medio ambiente sea el menor posible (Esparza y Campos, 2006). Si estos desechos reciben determinados tratamientos, podrían ser aprovechados, por lo cual dejarían de ser contaminantes, y por otro lado, los convertirían en una fuente adicional de recursos (Fonseca et al., 2002). El proceso de producción de alcohol de caña, se caracteriza por la conversión de la melaza y/o jugo de caña en etanol liberando además dos subproductos en el proceso: la vinaza y el dióxido de carbono. La vinaza debido a algunas de sus características como pH bajo, sólidos suspendidos totales, elevada demanda química de oxígeno (DQO), se considera un residuo líquido muy agresivo que provoca serios problemas ambientales en los recursos hídricos donde se descarga. Para su tratamiento se han ensayado métodos físico-químicos, químicos y biológicos siendo estos últimos los más apropiados por la gran cantidad de compuestos orgánicos biodegradables que presentan en su composición. Sobre la base de estos hallazgos, y en conjunto con la nueva tendencia de tecnologías limpias, este trabajo tiene como propósito determinar la capacidad de reuso de las vinazas producidas durante el proceso de destilación de alcohol. Asimismo, por los parámetros encontrados se plantearán diferentes mecanismos que podrían ser utilizados para la recuperación de dicho subproducto de una manera más amigable en términos sociales, ambientales y económicos. III. OBJETIVOS

3.1 Objetivo principal

Evaluar la reutilización de la vinaza obtenida durante el proceso de fermentación industrial en la Destilería Casa Grande.

3.2 Objetivos secundarios

Estimar el volumen total de vinaza producida durante el proceso de destilación.

Caracterizar la composición química de la vinaza producida.

Señalarlos posibles mecanismos para reutilizar/reciclar la vinaza de acuerdo a las características fisicoquímicas de esta.

IV. BREVE REFERENCIA AL MARCO TEÓRICO

4.1 Caña de azúcar Básicamente, la caña de azúcar está constituida por tres elementos: hidrógeno, oxígeno y carbono, que conforman más del 90% de su peso en base húmeda. Lo restante, que contiene los demás elementos, se obtiene del suelo y normalmente debe ser parcialmente suministrado bajo la forma de fertilizantes (Vidal, 1990). El contenido de humedad de la caña de azúcar varía de 70,5% a 75,6% con un promedio de 73,0%. La materia orgánica de 23,5% a 29% con un promedio de 26%; esta materia orgánica constituida por fibra, azúcares y otras materias orgánicas. El contenido de fibra de caña de azúcar puede variar de 9% a 16%, con un promedio de 12%. El contenido de cenizas varía de 0,65% a 1% con un promedio de 0,9% (Vidal, 1990). La caña de azúcar puede desarrollarse, normalmente, en condiciones de clima y suelo muy diversas, pero la capacidad de absorción de nutrientes varía considerablemente entre variedades, por lo que la composición química del suelo y los rendimientos en caña y azúcar también varían. 4.2 Productos de la caña de azúcar 4.2.1 Azúcar La sacarosa en el jugo, y la celulosa en la fibra, son los dos principales constituyentes químicos de la caña de azúcar. Cada uno de ellos está compuesto de azúcares simples. La sacarosa se encuentra en todas las partes de la planta de la caña de azúcar pero abunda en el tallo, donde se encuentra en las vacuolas de las células de los tejidos parenquimáticos (Helfgott, 1997). 4.3 Subproductos de la caña de azúcar 4.3.1 Bagazo El bagazo de caña de azúcar es un material lignocelulósico constituido principalmente por celulosa, hemicelulosa y lignina. Se obtiene como residuo en las centrales azucareras después de la extracción del jugo de caña de azúcar y representa entre el 25 y 40% del total de la materia procesada. 4.3.2 Cachaza La cachaza es un residuo que se obtiene en el proceso de clarificación de los jugos de caña, que incluye materias terrosas e impurezas orgánicas. Por cada tonelada de caña procesada se obtienen de 30 a 50 kg de cachaza. Resultados obtenidos indican que la cachaza es rica en N, P, K y Ca y que su uso como abono favorece las propiedades físicas y químicas del suelo. 4.3.3 Melaza Las melazas o mieles finales, suelen ser definidas como los residuos de la cristalización final del azúcar de los cuales no se puede obtener más azúcar por métodos físicos. Es un líquido denso y viscoso de color oscuro, producto final de la fabricación o refinación de la sacarosa procedente de la caña de azúcar (Helfgott, 1997). 4.4 Proceso de producción de alcohol Zanini-Casa Grande 4.4.1 Fermentación alcohólica. El proceso de fermentación alcohólica Zanini-Casa Grande incluye tres etapas importantes, las cuales en conjunto conforman el proceso Melle-Boinot, el cual

recircula la levadura, limita el crecimiento celular y maximiza la producción de alcohol, a la vez que logra disminuir sensiblemente los tiempos de fermentación debido a la alta densidad celular en el fermentador. Se caracteriza por su elevada productividad ante otros procesos tales como el sistema Jackemine (Stupiello, 1973). 4.4.2 Centrifugación El mosto fermentado o vino levadurado, es impulsado mediante una bomba hacia el tercer nivel donde se encuentran las centrífugas. El vino delevadurado que fluye por la parte superior de la máquina (llevando consigo una gran cantidad de bacterias y células de levaduras muertas), se dirige a la dorna volante, mientras que por la parte inferior fluye la crema de levadura con una concentración de 6 a 8 °Brix y con un volumen aproximado al 10% de la capacidad de la dorna, ésta crema se deposita en la cuba de pre-fermentación (Rodriguez, s.f.). 4.4.3 Tratamiento de levadura En la cuba de tratamiento o pre-fermentación, la crema de levadura es diluida convenientemente con agua, adicionando lentamente ácido sulfúrico; ésta adición es efectuada bajo fuerte y constante agitación a fin de homogenizar la suspensión de células bacterianas en el agua, hasta alcanzar un pH bajo, del orden del 2,5 si la infección es severa (Rodriguez, s.f.). 4.4.4 Destilación alcohólica El vino delevadurado proveniente de la dorna volante es impulsado por una bomba, pasa por el pre-calentador de vino elevando su temperatura a 65 oC; luego es alimentado al último plato de la columna depuradora de vino. Los vapores producidos pasan por el condensador y son enviados al tope de la columna hidroselectora. El vino sigue bajando de la columna depuradora hacia la columna agotadora de vino o mostera, donde ocurre el agotamiento de alcohol. La vinaza, que es el vino casi exento de alcohol, es retirado por la base de la columna agotadora hacia los calentadores de vino de allí hacia la canaleta (Rodriguez, s.f.). 4.5 Vinaza Las vinazas son los residuos del proceso de destilación, que contienen materia orgánica microbiana proveniente de los residuos de la levadura, sales, restos de bagazo, residuos de alcohol, azúcares. Constituyen un líquido de color oscuro, que puede variar desde carmelita hasta casi negro, de olor fuerte, temperatura cercana a 100 ºC y un pH medianamente ácido. Están compuestas por un 93% de agua, 2% de compuestos inorgánicos (potasio, calcio, sulfatos, cloruros, nitrógeno, fósforo, etc.) y un 5% de compuestos orgánicos que volatilizan al ser calentados a 65 ºC (Pérez y Garrido, 2006). 4.6 Alternativas de reutilización de la vinaza Por su alto contenido en sales, materia orgánica, proteínas y levaduras, así como su contenido acuoso, la vinaza permite valorar diferentes alternativas de aprovechamiento:

1. Como abono químico, para fertilizar directamente suelos con permeabilidad razonable y una buena capa de materia orgánica, lo cual permitiría elevar el rendimiento de la caña de azúcar en un 11%. Esta solución debe ser cuantificada cuidadosamente, pues eleva el contenido de cenizas y de potasio en el azúcar crudo, el jugo clarificado y las mieles; además, su factibilidad de aplicación está muy relacionada con la cercanía entre la fábrica y los campos de cultivo (Fonseca et al., 2002).

2. Mediante la digestión anaerobia para producir gas metano, y el residuo sólido sería utilizado como fertilizante. El gas metano podría ser empleado como combustible para la producción del vapor necesario para la destilación, la limpieza de fermentadores y otras labores; con lo que se podría ahorrar el 50% del combustible tradicional empleado en la destilería. Esta solución tiene

como limitante el espacio necesario para ubicar los digestores (Fonseca et al., 2002).

3. La recirculación de 20 a 25 % del mosto al proceso, incorporándolo a la fermentación, permitiría aprovechar la levadura que ha permanecido sin reaccionar, y se ahorraría parte del agua empleada como diluyente en el proceso. Esta solución debe ser controlada para mantener la velocidad de fermentación y los restantes parámetros del proceso (Fonseca et al., 2002).

4. Utilizar el mosto como alimento animal, solo o mezclado con bagazo, cogollo de caña de azúcar u otros aditivos. Esta opción es valorada muy positivamente por muchos autores, como una solución para la alimentación animal en países del tercer mundo, donde es posible incorporar a la dieta de cerdos, rumiantes y aves valores de 20, 30 a 40, 15% respectivamente, del mosto, bien como la solución, tal como sale del proceso de destilación o concentrado por evaporación, si fuera necesario trasladarlo hacia las granjas (Fonseca et al., 2002).

4.7 Biorefinería El concepto de biorefinería se adecúa al proceso realizado en una empresa azucarera y los productos obtenidos. La producción de azúcar y alcohol rectificado en la empresa agroindustrial Casa Grande sigue el siguiente esquema:

Figura 1. Biorefinería conceptual Casa Grande

V. CONCLUSIONES

La evaluación de información técnica y los resultados de los análisis fisicoquímicos de la vinaza, el efluente de la destilería Casa Grande, con el propósito de conocer su potencial reutilización y/o reuso permitió proponer cuatro probables alternativas que son: la digestión anaeróbica, fertirriego, alimento animal y el compostaje.

Los resultados de los análisis practicados a la vinaza dentro de las instalaciones de la empresa Casa Grande fueron los de pH y el de °Brix. Los resultados fueron: 4,69 y 4,70 para pH y de 7,76 y 7,83 para °Brix.

Las pruebas realizadas en el Laboratorio de análisis de suelos, aguas y fertilizantes arrojaron los siguientes resultados: pH: 4,11; C.E. (dS/m) 27,10; Sólidos totales (g/L) 105,84; M.O en solución (g/L) 76,64; N total (mg/L) 2.338,00; P total (mg/L) 102,20; K total (mg/L) 6.800,00; Ca total (mg/L) 1.690,00; Mg total (mg/L) 590,00; C orgánico (g/L) 44,65; Pb total (mg/L) 0,56; Cd total (mg/L) 0,04 y Cr total (mg/L) 0,00.

Las alternativas de fertirriego, digestión anaeróbica y alimento animal fueron calificadas como no viables de acuerdo a los requisitos planteados.

En el caso del fertirriego, la alta conductividad eléctrica (27,1 dS/m) ocasionaría la salinización de los campos de cultivos lo cuales ya son ligeramente salinos actualmente. Asimismo, la alta concentración de metales pesados como el plomo (0,56 mg/L) y cadmio (0,04 mg/L) sobrepasan los límites establecidos en

el ECA. Una de las opciones propuestas para resolver estos inconvenientes fue la dilución de la vinaza, pero el agua necesaria para tal cometido bordea los 5.040.000 litros de agua diarios, cifra difícil de alcanzar por la falta de agua continua en la zona.

Para el caso de la digestión anaeróbica, fue descartada ya que la empresa cuenta con su propio suministro de energía a base de vapor y electricidad producida por calderos que funcionan a bagazo. Adicionalmente se han invertido más de 6 millones de dólares americanos en la implementación de unos calderos ecológicos funcionando a base de carbón. La compra e instalación de nueva infraestructura para hacer funcionar esta alternativa es un gasto innecesario, por el hecho que ya se posee una tecnología sostenible sobre el tema de energía.

Con respecto a la alternativa de alimento animal, quedó descartada por el alto costo de su tratamiento. La evaporación y atomización de un litro de agua evaporada cuesta en el mercado alrededor de US$ 3,00. La empresa Casa Grande vierte aproximadamente 430.000 litros diarios, magnificando así los costos diarios para realizar el tratamiento. Además, esta es la opción que más se aleja de las actividades de la empresa.

La potencialidad técnica de la vinaza para producir compost se reconoció porque presenta una relación C/N de 19,1, una alta concentración de potasio y niveles significativos de fósforo. La acidez (pH: 4,11) se contrarrestaría con la adición de un neutralizante como la cal viva o soda cáustica.

Se planteó un sistema de 12 módulos que contienen un total de 480 camellones dispuestos en un área de aproximadamente 4,7 ha. Cada camellón contiene 12 TM de bagazo y 8 TM de cachaza; ambos serán el soporte sólido del compostaje suplantando al estiércol de animales ya que contienen concentraciones similares de N, P, K.

La destilería genera aproximadamente 3.056.018 L semanales de vinaza. Los 12 módulos planteados reutilizarían un total de 520.000 L de vinaza a partir de la cuarta semana. Este resultado equivale al 17% del total de vinaza producida semanalmente por la destilería.

VI. RECOMENDACIONES

Investigar la posibilidad de la aplicación directa del compost producido sobre los nuevos terrenos adquiridos en la provincia de Chiquitoy, con el fin de adecuar las tierras para el futuro cultivo de caña de azúcar.

Investigar el efecto del compost producido a partir de vinaza sobre las propiedades del suelo y su efecto residual sobre la calidad.

Implementar la fermentación con una cepa más resistente como la Schizosaccharomyces pombe, la cual resiste elevadas concentraciones de sales. De esta manera, se podría reutilizar la vinaza con previo tratamiento en una segunda fermentación reduciendo el volumen descargado de vinaza.

Ya que con el compost la reutilización del 100% del efluente es casi imposible porque se tiene como limitantes al espacio y materias primas disponibles, sería conveniente la implementación de una planta de tratamiento. Esto se debe a que durante el 2011 la fiscalización de las industrias azucareras entrará en vigencia, y los efluentes de Casa Grande superan al momento los ECAs de aguas y superarían los LMPs determinados para dicha industria.

Investigar con detenimiento la posibilidad de la biodigestión como otra fuente de energía alternativa a la quema de bagazo y carbón por medio de calderos ecológicos.

Dado que la planta tiene intenciones de expandirse hasta producir 200.000 L de alcohol por día, aproximándose a unos 2.600.000 L diarios de vinaza vertidos al alcantarillado, se debe investigar más a fondo la posibilidad de evaporar este efluente para reducir su volumen.

Dado que la vinaza contiene concentraciones de metales pesados (Pb y Cd) significativas, el compost producido a partir de la mezcla de cachaza, bagazo y vinaza podría acumular dichos elementos en el tiempo. Se necesitarán estudios de caracterización por cada uno de los insumos para poder determinar la acumulación de metales pesados durante el proceso de compostaje.

Investigar la posibilidad del uso de empresas transportadoras de residuos (EPS-RS) para la disposición final de la vinaza producida.

Los problemas hídricos de los valles de Ascope representan el factor limitante para la dilución de la vinaza para el riego de los cañaverales. Se debería de investigar el potencial empleo de una planta desalinizadora para emplear agua de mar como fuente de agua, logrando de esta manera cubrir la demanda hídrica necesaria para la dilución de dicho efluente y por lo tanto, el riego de los cañaverales.

VII. BIBLIOGRAFÍA

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