Reducción del poder contaminante de las vinazas de destilación de alcohol por la propagación de levadura
Miguel A. Otero Rambla Dirección Biotecnología
ICIDCA
PROCESO FABRICACIÓN DE ALCOHOL
Azúcares
Energía Eléctrica
Vapor
R
Condensado a las
calderas
FERMENTACIÓN
DESTILACION
Insumos Químicos
Recirculación de Levadura
Alcohol Deshidratado
DESHIDRAT.
TRATAMIENTO
R
Vapor
Vinaza tratada
Condensado a las
calderas
LAS VINAZAS
Representan un serio problema ecológico importante para su disposición debido a su protencial contaminante.
Se han propuesto varios esquemas de tratamiento:
Ferti-irrigaciópn Producción de biogás Incineración Producción de levadura Aspecto físico: líquido negro-rojizo con un contenido de sólidos entre 2-4%, (a partir de jugos de caña); 5-10% (melazas). El volumen de vinazas varía entre 12 y 15 m3/m3 de etanol destilado
El etanol producido a partir de la caña de azúcar solo contiene el 40 % de la energía de la planta expresado como DQO.
El 24 % de esta energía se emplea en el propio proceso de producción y el 36 % restante se concentra en los subproductos (vinaza, bagazo y levadura).
MÉTODOS DE TRATAMIENTO DE VINAZAS
FÍSICO-QUÍMICOS
Cribado Desarenado Sedimentación Flotación Coagulac-floculac. Filtros de vacío Centrifugación Interc. iónico Ultrafiltración Ósmosis inversa
BIOLÓGICOS
Aerobios
Anaerobios
Lagunas Digestores Filtros UASB
Suspendidos
Lagunas Lodos activ.
Lecho fijo
Filtros biológ. Biodiscos Infiltrac.
ALTERNATIVAS PARA EL MANEJO DE VINAZAS
TTrraattaammiieennttoo ddee vviinnaazzaass
FFeerrttiirrrriieeggoo BBiiooggááss
LLeevv.. ffoorrrraajjeerraa RReecciirrccuullaacciióónn CCoonncceennttrraacciióónn
FERTIRRIEGO
La irrigación con vinazas presenta dos variantes: (a) Fertirrigación en el que los residuales son
utilizados como agua sin considerar los nutrientes aportados y,
(b) Fertilización orgánica en la que los nutrientes son balanceados para cuantificar su aporte al cultivo.
FERTIRRIEGO cont..
Por cada m3 de alcohol destilado, se generan alrededor de 715 kg (alcohol de melazas) y 400 kg (alcohol de jugos) de DQO.
La DQO de las vinazas depende del sustrato empleado y la eficiencia de fermentación y destilación
Es una alternativa muy cuestionada en los últimos tiempos sobre todo en Brasil.
FERTILIZACIÓN
Demanda de nutrientes para la producción de caña requerida para producir 1 m3 de bioetanol y disponibilidad de éstos en los subproductos
Demanda para producción
Contenido en vinazas
Contenido en bagazo
Total en subproductos
kg/m3 de alcohol
N
P
K
30
5
30
% de la demanda
N
P
K
100 100 100
4
3 20 13 60 67
16 0.4 1.2 53
8
4
20 3.4 21.2 67 68 71
Fuente: Ximena , Diver 2006
ALTERNATIVAS PARA EL MANEJO DE VINAZAS
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LLeevvaadduurraa ffoorrrraajjeerraa RReecciirrccuullaacciióónn CCoonncceennttrraacciióónn
Por medio de la digestión anaeróbica la materia orgánica se convierte en biogás (CH4 + CO2).
PRODUCCIÓN DE BIOGÁS
La producción de éste, asumiendo una eficiencia de producción de biogás de 70 %, la producción de CH4 sería 715 x 16/60 x 0.7 = 133 kg de CH4/m3 de alcohol de melazas.
Puede haber beneficio económico adicional, si se genera electricidad con este gas o bien se distribuye tal cual a la población.
Esta opción es atractiva. Se obtiene combustible renovable y la vinaza tratada es útil en la fertirrigación. Su inconveniente radica en que no reduce el K+ presente en las vinazas
BIOGAS cont..
La digestión anaeróbica de las vinazas está aplicada a escala industrial en muchas destilerías en Brasil (Souza, 1992).
Valores típicos de las vinazas de jugos en destilerías autónomas en Brasil
Parámetro
Cruda Sediment. Digerida
SST, kg/m3
20
10
0.1
DBO, kg/m3
18
15
2.7
DQO, kg/m3
32
28
2.5
AGV, mequiv/L
100
100
2.5
SST =sólidos suspendidos totales; DBO = Demanda Bioquímica de Oxígeno; DQO = Demanda Química de Oxígeno; AGV = ácidos grasos volátiles (C2-C5)
% Remoción
97 95 91 98
Fuente: van Haandel y van Lier Diver 2006
BIOGAS cont..
La materia orgánica de las vinazas es muy soluble.
La presencia de compuestos no degradables es muy baja, lo que facilita su manejo
Una fracción importante está en forma de ácidos volátiles (AGV) que son directamente convertidios en metano.
ALTERNATIVAS PARA EL MANEJO DE VINAZAS
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LLeevvaadduurraa ffoorrrraajjeerraa RReecciirrccuullaacciióónn CCoonncceennttrraacciióónn
LEVADURA DE VINAZAS
La vinaza es el componente mayoritario del medio de propagación.
Posee 45% en peso de proteínas, de una calidad similar a la de la harina de soja pero con un contenido de lisina dos veces mayor.
Se destina exclusivamente a la formulación de alimento animal.
RANGO DE CONCENTRACIÓN DE VINAZAS DE MELAZAS Y JUGOS
Indicador
Melazas
Sólidos totales, kg/m3 70-80
DQO, kg/m3
60-65
DBO (20ºC), kg/m3
48-55
Nitrógeno, kg/m3
0.70
Fósforo (P2O5), kg/m3 0.30
pH
4.6
Cenizas, %
1.7-3.5
Jugos 25-35 30-35 18-20 0.43-0.50 0.25 4.1-4.5 1.5-3.0
Su empleo es preferible como parte de raciones concentradas.
En bovinos la levadura puede aportar hasta 2.7 kg/día.
En terneros lactantes, se elabora un sustituto lácteo (57% del mismo es levadura) y se libera leche para su comercialización.
LEVADURA DE VINAZAS cont..
En cerdos, 380-400 g de proteína/día (unos 800 g de levadura).
En aves es también posible su inclusión en la dieta hasta 18 % de proteína (40% de levadura)
LEVADURA DE VINAZAS cont…
El proceso degrada directamente más del 60 % de la DQO. Se puede obtener una ton de levadura por cada 25-30 m3 de vinazas. En caso de tratarse de vinazas de jugo esta cantidad se incrementa hasta el entorno de 60-70 m3. Por medio de la tecnología, puede priorizarse el agotamiento más intensivo del residuo, o en su defecto La producción de proteína. Retira con la biomasa el 30-40% del potasio presente
LEVADURA DE VINAZAS cont….
El valor de las vinazas como nutriente depende de las eficiencias de fermentación y destilación.
Los componentes mayoritarios son: etanol, glicerol y azúcares reductores no convertidos en etanol
Las vinazas de melazas son más mayor riqueza en materias orgánicas que las provenientes de los jugos.
Estas últimas, sin embargo, pueden emplearse también como sustrato.
Parámetros de crecimiento de levadura Candida utilis NRRL Y-660 bajo diferentes concentraciones de potasio
[K+], mg/mL
µmax, h-1
P, mg/mL- Yx/s
K en
h
levadura, %
0.00* 12.96 25.91
0.228 0.225 0.175
1.403 0.226
2.12
1.321 0.206
3.27
1.236 0.177
4.21
Como alternativa a la producción de biomasa forrajera es posible obtener a partir de las vinazas materia prima para la producción de biodiesel con ciertos arreglos en la operación del sistema y cambiando la cepa de Candida utilis por una capaz de acumular lípidos: Rhodotorula sp., Candida lipolyitica, etc.
Estas cepas se propagan bien en medios ricos en azúcares simples. Uno de los objetivos principales el proyecto común INTI-ICIDCA es dilucidar si es posible propagarlas en medios de vinazas enriquecidas
Cultivo discontinuo de Rhodotorula glutinis bajo deficiencia de 30% de nitrógeno. Melazas (SRT) = 30 mg/mL, T = 32ºC, pH 4.5, airación 1 vvm
Concentr ation, m g/ m L
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
0
5
10
15
T ime, h
cell conc, X
lipid conc
Los lípidos de Rh. glutinis son particularmente ricos en ácidos grasos insaturados
Ácido graso, % Saturados
Láurico (C12) Mirístico (C14) Palmítico (C16) Esteárico (C18) Subtotal Insaturados
Oleico (C181) Linoleico (C182) Linolénico (C183) Subtotal
Simple etapa
0.05 0.03 1.19 20.66 21.93
50.75 20.77 5.65 77.17
Doble etapa
0.2 1.0 13.4 7.1 21.70
52.8 20.1 4.8 77.70
ALTERNATIVAS PARA EL MANEJO DE VINAZAS
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RECIRCULACIÓN DE VINAZAS
Azúcares
Energía Eléctrica
Recirculación de Vinaza
Vapor
Condensado a las
calderas
R
Fermentación
Destilación
Insumos Químicos
Recirculación de Levadura
Alcohol Deshidratado
Deshidrat.
Evaporación
R
Vapor
Condensado a las
calderas
Vinaza tratada (CMS)
RECIRCULACIÓN DE VINAZAS…2
Requerimientos y ventajas: Alta densidad celular en los fermentadores. Produce 3 a 4 litros de vinaza en fermentación vs. 12 a 15 litros
que se produce en un proceso tradicional. Bajos requerimientos de agua en el proceso de fermentación. Alta eficiencia de fermentación. Solo es posible cuando se fermentan siropes concentrados
como melazas, mieles B etc.
ALTERNATIVAS PARA EL MANEJO DE VINAZAS
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LLeevvaadduurraa ffoorrrraajjeerraa RReecciirrccuullaacciióónn CCoonncceennttrraacciióónn
CONCENTRACIÓN DE VINAZAS Los modernos sistemas de concentración de vinazas cuentan con reboilers incorporados en el fondo de la columna destiladora que permite obtener vinazas de 40 ºbx. El sistema genera altos costos de mantenimiento, por los materiales de construcción que son especiales debido a las características químicas de la vinazas.
CONCENTRACIÓN DE VINAZAS…2
Los costos de inversión y mantenimiento que presentan los esquemas de concentración de vinazas cuyo producto final sea la alimentación animal y fertilizantes, son elevados. Su empleo con los propósitos anteriores, requerirá un análisis de viabilidad técnico-económico en comparación con los otros sistemas de tratamiento vistos anteriormente. Los sistemas de concentración de vinazas con fines de incineración son preferibles, dada la complejidad, costos de inversión y mantenimiento de los evaporadores, al uso de CMS como alimento animal y fertilizante.
CONCLUSIONES
No existe una receta única para el tratamiento y/o disposición de las vinazas;
La aplicación de una u otra alternativa responde a factores diversos como: climáticos, edafológicos, económicos y sociales;
Para destilerías de 200 000 L/día o más; puede resultar desacertado depender de un solo sistema de tratamiento;
Los diferentes tratamientos pueden combinarse entre sí buscando alternativas más racionales de manejo
Para el caso de destilerías a partir de melazas, el análisis de las recirculación de vinazas es conveniente
… desde el punto de vista ambiental, el uso integral de los subproductos de la producción de etanol, hace muy atractiva esta tecnología, pero su verdadero éxito descansará en el hecho de si somos capaces de hacerlo de manera “verdaderamente sostenible”…
FERTIRRIEGO
FERTIRRIEGO
FERTIRRIEGO
FERTILIZACIÓN VINAZAS SUPLEMENTADAS CON UREA
Equivalente DE K2O como UREAVIN
Dosis de K2O /ha 50 100 161 200 300 400 500
UREAVIN m3/ha 0.83 1.66 2.68 3.33 5.00 6.66 8.33
Fuente: Casas Diver 2006
FERTILIZACIÓN
obsoleto
BIOGÁS Tienden a tupirse
Emplean soportes inertes
El más usado UASB
BIOGÁS-INDUSTRIA PAPELERA
Sical - Francia
Boise Cascade U.S.A.
AIPM - Israel
BIOGÁS-INDUSTRIA ALMIDÓN
POTATO Northern Star
U.S.A.
STARCH NB Love Australia
BIOGÁS-INDUSTRIA CERVECERA
Cervejaria Petropolis Brazil
Coors Brewery U.S.A.
LEVADURA DE VINAZAS-ESTRUCTURA TECNOLÓGICA
VINAZAS Y OTROS
NUTRIENTES
FERMENTACIÓN
SEPARACIÓN & LAVADO
ELECTRICIDAD, AGUA VAPOR
TERMÓLISIS & EVAPORACIÓN
SECADO & ENVASE
COMPOSICIÓN DE LEVADURA DE VINAZAS
COMPONENTE Proteína bruta
LEVADURA VINAZAS
45.0
LEVADURA MELAZAS
47.0
HARINA DE SOJA
44.0
Extracto etéreo
1.2
1.5
2.3
Fibra bruta Aminoácidos
Arginina Histidina Isoleucina Leucina
Lisina
Metionina + Cistina
Fenilalanina + Tirosina Treonina
Triptófano Valina
0.63
2.04 1.71 1.95 3.90
4.07
1.08
3.24
2.19 1.07 2.29
0.57
6.3
1.98
3.45
1.89
1.41
2.00
1.98
4.06
3.29
4.05
2.90
0.99
1.15
3.89
3.63
2.13
1.71
1.12
0.90
2.17
2.15
RANGO DE CONCENTRACIÓN DE VINAZAS DE JUGOS (HERIBERTO DUQUESNE)
Sólidos totales pH Cenizas totales DQO DBO5(20ºC) Nitrógeno total (P2 O5)T (Ca)T
24.86 kg/m3 4.1 1.5g - 3.2g/100mL 35.06 kg/m3 18 kg/m3 0.46 kg/m3 0.24 kg/m3 0.18 kg/m3
Ver+/-
