CIATEJ Libro Tequila 2daEdición CAP8

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Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Chapter · January 2015

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CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL TEQUILA: AVANCES Y PERSPECTIVAS

CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL TEQUILA: AVANCES Y PERSPECTIVAS 2a EDICIÓN

Para todos los actores de la cadena de valor Agave-Tequila, especialmente a los impulsores de la triple hélice para que la innovación cristalice: productores de Agave, jimadores, tequileros, comercializadores, maestros tequileros, investigadores, Centros de Investigación, Instituciones de Educación, Secretaria de Innovación Ciencia y Tecnología de Jalisco y al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología. CIATEJ

Anne C. Gschaedler Mathis Benjamín Rodríguez Garay Rogelio Prado Ramírez José Luis Flores Montaño

Autores Imagen de portada: Cámara Nacional de lndustria Tequilera ® Diseño editorial: Grupo Promueve ® Ping Pong Branding ® © 2004, 2015, El Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A.C. (CIATEJ) (607-96619) Derechos exclusivos de edición en castellano reservados para los países de habla hispana. 2004 Editorial Logiprint Digital, S. DE R.L. DE C.V. ® 2015 Grupo Promueve Compañias SC ® Edificio MIND ( México Innovación y Diseño) Av. Faro #2350 Interior 1C Colonia Verde Valle Código Postal 44550 Guadalajara., Jalisco. México www.grupopromueve.com.mx Primera edición: Septiembre 2004 Segunda edición: Diciembre 2015 ISBN Obra Independiente: 978-607-96619-8-4 No se permite la reproducción total o parcial de este libro ni su incorporación a un sistema informático, ni su transmisión en cualquier forma o por cualquier medio, sea este electrónico, mecánico, por fotocopia, o grabación u otros métodos, sin el permiso previo y por escrito de los titulares del copyright. La infracción de los derechos mencionados puede ser constitutiva de delito contra la propiedad inteelctual ( Arts. 229 y siguientes de la Ley Federal de Derechos de Autor y Arts. 424 y siguientes del Código Penal Federal). Impreso en los talleres de 2015 Politypo de Occidente, S.A. de C.V.

Dirección: Calle Donato Guerra 515, C.P. 44180, Guadalajara, Jal. www.polytipo.com.mx Impreso y hecho en México - Printed and made in Mexico

Juan Gallardo Valdez Benjamín Rodríguez Garay Antonia Gutiérrez Mora Maribel M. Loera Quezada Erika P. Flores Berrios Gabriel Rincón Enríquez Evangelina Esmeralda Quiñones Aguilar Joaquín Alejandro Qui Zapata Rosa María Camacho Ruiz Francisco Javier Pérez Martínez Ernesto Rodríguez González Anne Christine Gschaedler Mathis Lorena Amaya Delgado Melchor Arellano Plaza Javier Plácido Arrizon Gaviño Enrique Jaime Herrera López Laura Íñiguez Muñoz Manuel Kirchmayr Rogelio Prado Ramírez Mirna Estarrón Espinosa Julisa Edith López Ramírez Sandra Teresita Martín del Campo Barba Ernesto Ramírez Romo Ricardo Cosío Ramírez Jorge Alberto García Fajardo Socorro Josefina Villanueva Rodríguez Alberto López López Silvia Maribel Contreras Ramos Javier Rivera Ramírez Alejandra Navarro Hurtado Norma Angélica Paniagua Buelnas Evaristo Urzúa Esteva José Luis Flores Montaño

Agradecimientos

Índice de Contenidos Capítulo 1

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (Conacyt) que hizo posible la segunda edición de esta obra. A la Cámara Nacional de la Industria Tequilera (CNIT) que proporcionó la mayoría de las fotografías de esta nueva edición, así como el diseño de la portada. Al Consejo Regulador del Tequila (CRT) por su aportación en el prólogo. Un agradecimiento muy particular a todos los investigadores, profesores y alumnos del CIATEJ AC y de diferentes instituciones educativas cuyo trabajo está plasmado en cada una de las páginas que componen esta obra.

Industria Tequilera, Visión y Tecnología de su Desarrollo Introducción Antecedentes -El Punto de Partida LA INDUSTRIA TEQUILERA, EVOLUCIÓN Y CONSOLIDACIÓN -El México Independiente y la Industria Tequilera Corolario Bibliografía

1 1 2 6 7 13 14

En particular se agradece la contribución de los siguientes colaboradores, expertos y empresas que apoyaron desinteresadamente la realización de esta obra: En los capítulos 1 y 2, a Alejandra G. González Gutiérrez; en el capítulo 3, a Cadenas Rosh SA de CV y al M. en C. Oswaldo Andrés Martínez; en el capítulo 5, al maestro de ingeniería química Ing. Hugo Antonio Vega Gómez, y a los maestros tequileros Ing. Salvador Ignacio Fonseca Aguirre, Ing. Pedro Celestino García Uribe y al Ing. Mario Gómez Vázquez, por compartir sus valiosos conocimientos; y en el capítulo 6 a la empresa Tequila Cascahuín SA de CV. Así mismo, se agradece la valiosa participación de Jorge Valente García Hernández.

Capítulo 2 La Materia Prima: Agave tequilana Weber Var. Azul Introducción Taxonomía del género Agave -Características Morfológicas y Reproductivas -Distribución y Hábitat -Taxonomía Los agaves de Jalisco Los azucares de Agave tequilana Mejoramiento genético en agaves -Protoplastos -Variación Genética en Células Somáticas -Selección Celular -Selección de Plantas -Producción de Plantas Trisómicas

17 17 17 18 19 21 23 26 27 28 29 30 31

Ìndice de Contenidos

Índice de Contenidos

Fitosanidad del agave tequilero -Plagas -Enfermedades -Hongos -Marchitez del Agave -Micorrizas como Factores de Control Biológico de fitopatógenos de Suelo en Agave Tequilero -Bacterias -Control Biológico de la Pudrición Blanda del Cogollo del Agave Mediante Bacteriófagos

31 31 33 33 37

Capítulo 4

38 41

97 108 112

Ecofisiología

45

Perspectivas

46

-Las Levaduras: Definiciones y Características Generales -Las Bacterias -Métodos de Identificación y Caracterización de Microorganismos -La Fermentación Alcohólica -Compuestos Volátiles Generados Durante la Fermentación por las Levaduras

Bibliografía

47

131 132 133

43

Capítulo 3 Extracción del Jugo de Agave

La Fermentación: Etapa Clave en la Elaboración del Tequila INTRODUCCIÓN

97

ANTECEDENTES

97

-Fermentación Maloláctica -Fermentación Acética -Monitoreo y Control de los Procesos Fermentativos

115 120

SITUACIÓN ACTUAL DE LA INDUSTRIA TEQUILERA

141

-Materias Primas de la Fermentación en la Elaboración del Tequila

141

-El Mosto Tequilero y sus Características

141

-La Fermentación en el Proceso Tradicional de Elaboración del Tequila

142

-Equipo para la Fermentación del Tequila

144

Introducción

55

Alternativas de extracción del jugo de agave

57

Obtención del jugo de agave cocido (Proceso tradicional)

58

AVANCE ACTUAL DE LA INVESTIGACIÓN Y LA TECNOLOGÍA DE LA FERMENTACIÓN EN LA FABRICACIÓN DEL TEQUILA

58 72

-Levaduras y Otros Microorganismos Presentes en la Fermentación del Tequila

-Características del Crecimiento Sobre Mosto Basado en Jugo de Agave (Bases para el Desarrollo de un Inóculo) -Características de la Fermentación

-Modelado de la Fermentación

166

-Sacarificación y Fermentación Simultánea en la Industria Tequilera

167

-Cocimiento del Agave -Procesos de Extracción del Jugo de Agave Cocido

Obtención del jugo de agave crudo

-Preparación de Agave (Trituración y Desfibrado) -Extracción del Jugo del Agave Crudo por Expresión -Extracción del Jugo por Lixiviación (Difusión) -Hidrólisis del Jugo Crudo para Preparación del Mosto

Perspectivas en la extracción del jugo de agave Bibliografía

75 76 80 82 90 92 93

145 145 149 154

PERSPECTIVAS

169

Bibliografía

170



Capítulo 5

Capítulo 6

Destilación

Calidad del Tequila: Marco Normativo y Composición del Producto

Introducción A LA DESTILACIÓN DE BEBIDAS ALCOHÓLICAS Importancia de la destilación en el proceso de elaboración de bebidas alcohólicas

181 182

Fundamentos teóricos de la destilación -Aspectos Termodinámicos de la Destilación Tipos de destilación -Destilación Diferencial -Destilación Fraccionada en Continuo -Destilación Fraccionada por Lotes Técnicas de destilación empleadas en la elaboración de tequila -Destilación Diferencial -Destilación Fraccionada en Columna Continua -Destilación Fraccionada por Lotes Factores que influyen en la destilación durante la elaboración de tequila -Factores de Equipo -Factores de Proceso Compuestos químicos regulados y no regulados por la norma oficial durante la destilación

183 184 185

-Compuestos Regulados por la Norma Oficial del Tequila -Compuestos no Regulados por la Norma Oficial del Tequila -Perfiles de Compuestos Sensoriales Según la Concentración de Compuestos Mayoritarios y Minoritarios a lo Largo de la Rectificación Panorama de la Investigación sobre Destilación del Tequila Perspectivas de la destilación en la elaboración de tequila Bibliografía

185 187 188 189 189 193 195

Introducción

231

Antecedentes

231

-El Inicio de la Industria: Posicionamiento del Tequila en el Mercado y su Calidad -Marco Normativo del Tequila -Creación del Consejo Regulador del Tequila A.C. (CRT) -La Producción de Tequila

231 233 245 246

La Calidad del Tequila -Factores que Influyen en la Calidad del Tequila

247 248

Estado Actual del Control de Calidad del Tequila en la Industria

259 259

-Determinaciones Fisicoquímicas por Normatividad -Determinaciones Fisicoquímicas No Reguladas para el Tequila

259

Avance Actual De La Investigación En La Calidad Del Tequila

261

197 197 208

261

210

Perspectivas En Las Investigaciones Sobre La Calidad Del Tequila

309

210 212

Bibliografía

310

223 223 226 227

-La Composición del Tequila y sus Técnicas de Análisis -El Perfil Volátil del Tequila -Contribución de las Etapas del Proceso de Producción del Tequila en la Conformación de su Perfil Volátil

276 284

Capítulo 7 Calidad Sensorial del Tequila Introducción

321

Calidad Sensorial

321

-Los Compuestos Volátiles que Contribuyen al Olor y Aroma del Tequila

325

-La Formación de la Imagen Sensorial Olor-Aroma

326



-¿Es Posible Medir el Sabor? -Algunas Interrogantes Sobre la Calidad Sensorial del Tequila -Particularidades en el Entrenamiento de los Jueces Analíticos de Tequila -Perspectivas en las Investigaciones Sobre la Calidad Sensorial del Tequila

329 333 333 339

-Calidad Sensorial

339

Bibliografía

340

Capítulo 8 Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Introducción

343

343 343

-Problemática Ambiental del Sector Tequilero -Producción de Tequila -Legislación Ambiental -Contaminación del Sector -Inversión del Sector para Reducir la Contaminación -Reto Tecnológico

Efluentes De La Industria Tequilera

-Vinazas Tequileras -Composición del Efluente

343 345 345 346 346 346 347

Estado de la Técnica en el Tratamineto de Vinazas Tequileras

349

349 350 350 350 356 356

-Pretratamiento -Tratamiento Primario -Procesos Fisicoquímicos -Procesos Biológicos -Procesos Avanzados -Otros Procesos

Aprovechamiento De Los Residuos Sólidos Generados: Pencas Y Bagazo De Agave

363

363 364 365

-Pencas de Agave (Hojas) -Fibra o Bagazo de Agave -Diferentes Usos y Aprovechamiento de Bagazo de Agave

Perspectivas

372

Bibliografía

373

Capítulo 9 El Mercado, Estado Del Arte Y Visión Prospectiva Del Sector Agave-Tequila Introducción

379

Mercado de bebidas alcohólicas

381

-Antecedentes -Situación Actual -Tendencias

381 384 390

Estado del Arte

393

-Análisis General de Patentes -Clasificación de Tecnologías y Campos Emergentes -Participación por País

393 393 395

De la perspectiva a la visión prospectiva del sector agave-tequila

398

398 400 401 403

-Vigilancia Tecnológica y Competitiva -Gestión del Conocimiento e Innovación -Prospección Tecnológica, Competitiva, Territorial y Social -Inteligencia Estratégica

Conclusiones

403

Bibliografía

404

Prefacio CIATEJ CONTRIBUCION TECNOLOGICA DEL CIATEJ AL SECTOR AGAVE-TEQUILA En sus casi 40 años de haber sido creado, el Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A.C. (CIATEJ) ha contribuido a mejorar la cadena productiva agave-tequila de forma muy significativa. En efecto, aplicando los conceptos básicos de la innovación tecnológica y biotecnológica, la institución ha aportado conocimientos y tecnologías a los distintos elementos de la cadena productiva para contribuir así al crecimiento del mercado de la bebida más icónica de México: El Tequila. Muchos de estos desarrollos a lo largo de los años se han realizado gracias al apoyo del Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), que este año celebra su 45o Aniversario. Para celebrar estos 45 años de CONACYT, la Cámara Nacional de la Industria Tequilera (CNIT), el Consejo Regulador del Tequila (CRT) y CIATEJ, ofrecen a la sociedad mexicana esta obra denominada “Ciencia y Tecnología del Tequila: Avances y Perspectivas” para contribuir al entendimiento científico y tecnológico de la complejidad que conlleva el cultivo del agave, su procesamiento y comercialización. La obra está dividida en 9 capítulos que abordan todas las facetas de la cadena productiva agave-Tequila, desde la fisiología de la planta, los procesos de extracción del jugo, la fermentación y la destilación, así como la calidad del producto final, la normalización y los aspectos de mercado. Es importante destacar que todas estas contribuciones están escritas por verdaderos expertos en cada uno de los temas que han dedicado muchos años de investigación para poder profundizar en ellos y así poder estar a la vanguardia del conocimiento en este importante tema para México. Cabe destacar que entre las aportaciones más relevantes realizadas por CIATEJ a la industria tequilera, se encuentran las siguientes: •Registro de la identidad del Agave tequilana Weber variedad azul. •Desarrollo del cultivo in vitro para propagación masiva de plantas seleccionadas e investigación en la solución de problemas fitosanitarios. •Mejoramiento de los procesos de extracción de azúcares fermentables. •Estudio para la optimización de los procesos de cocción integrando la hidrólisis enzimática de los fructanos de agave. •Selección de levaduras para optimizar los procesos de fermentación, así como para la generación de productos con carácter aromático propio. •Estudios sobre el efecto de los materiales de construcción de alambiques en las características sensoriales del tequila.

Prefacio CNIT •Desarrollo de nuevas alternativas de destilación para mejorar la productividad y las características del producto final. •Estudios sobre la composición fisicoquímica de los productos, así como su autenticidad e inocuidad. •Preparación de jueces para evaluación sensorial de los productos finales. •Procesos innovadores para el tratamiento integral del bagazo de agave y de las vinazas tequileras con generación de productos de valor agregado, como biofertilizantes, mejoradores de suelo, metano e hidrógeno. •Formación de recursos humanos altamente especializados que han sido contratados por diversas compañías del sector tequilero y que han contribuido de manera muy importante a mejorar la competitividad de la industria. Estamos seguros de que esta obra – producto de muchos años de compromiso firme y productivo de CIATEJ con la industria tequilera - será un referente obligado para las empresas productoras de nuestra tradicional bebida y que también servirá como un libro de consulta para quienes desean aprender más sobre todo lo que implica producir un tequila de calidad, que se aprecie en todo el mundo.

Dr. Inocencio Higuera Ciapara

Dir. General del Centro de Investigación y Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco, A.C. (CIATEJ)

Es un placer para la Cámara Nacional de la Industria Tequilera (CNIT) felicitar al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT) por su 45 aniversario. Un organismo que está comprometido en el desarrollo de la capacidad científica y tecnológica del país, colaborando con las compañías nacionales para elevar su calidad y competitividad. Esto, aunado a que el Centro de Investigación, Asistencia en Tecnología y Diseño del Estado de Jalisco (CIATEJ) ha colaborado, por estos casi 40 años, con dedicación e integridad al Sector Agroindustrial. Ambas instituciones se han distinguido por impulsar la ventaja competitiva a través de la innovación y servicios tecnológicos de calidad. Desde su creación en 1959 y a lo largo de los años, la CNIT se ha enfocado en la protección del Tequila y de su industria, generando condiciones que permiten la competitividad de este sector, realizando acciones que han permitido impulsar el posicionamiento de esta bebida espirituosa a nivel mundial. El proceso del Tequila inicia con la plantación del Agave tequilana Weber variedad Azul en pequeñas plantas de Agave “hijuelos”. Los tequileros debemos esperar con paciencia y dedicación entre seis y ocho años para poder cultivar el Agave y continuar con el cocimiento, extracción, fermentación, destilación, maduración y finalmente el envasado. Cada parte del proceso está perfectamente controlado, lo cual nos ayuda a elaborar nuestra bebida; sin embargo, esto no habría sido posible si la Industria no contara con la colaboración de organismos como el CONACYT y particularmente el CIATEJ, quienes a través de su experiencia, conocimiento e investigación han contribuido con innovación en diversos campos y puesto en marcha nuevas tecnologías que han sido fundamentales para crecimiento del Tequila a nivel nacional e internacional. Estas implementaciones han permitido que el CIATEJ participe en el impulso a la Industria, la cual genera importantes beneficios económicos y sociales para el país, siendo una fuente de empleo directo para más de 70 mil personas. La Industria Tequilera hoy en día, está consolidada y sigue en constante crecimiento manteniendo excelentes perspectivas. Las exportaciones del Tequila en el mundo continúan desarrollándose, en 2014 sumaron casi 173 millones de litros, lo que significa un poco más del 70% de la producción total de la Industria, que fue de 242 millones de litros. En la actualidad podemos afirmar que la Industria Tequilera ha crecido y evolucionado. Cada vez se ponen en marcha tecnologías más eficientes, que se adecúan a las necesidades de los tequileros y de su mercado, contribuyendo para que esta bebida espirituosa pueda llegar a más de 120 países convirtiéndose en la favorita de los paladares más exigentes; confirmando así que el Tequila ha sido, es y será nuestro regalo para el mundo. Lic. Luis Velasco Fernández

Presidente Cámara Nacional de la Industria Tequilera

Prefacio CRT Para la cadena productiva agave-tequila, esta publicación representa una oportunidad de seguir ampliando la brecha de la comunicación y la difusión de la información veraz y oportuna para la toma de decisiones que requiere nuestro sector.

puesto que cada vez es más frecuente que tanto los países como las empresas importadoras requieran certificados que les aseguren que la bebida cumple con los requisitos legales de autenticidad acorde con la declaratoria.

A manera de antecedente y con la finalidad de tener una imagen numérica más clara de lo que significa la agroindustria del tequila para nuestro país, podemos compartir que actualmente este sector representa:

Hasta ahora, México no contaba con servicios de laboratorio exclusivos y especializados en la determinación de la autenticidad del tequila, a partir de metodologías más robustas y confiables, a la vez que aceptadas en los países importadores más importantes, los cuales establecían los reglamentos y parámetros de autenticidad de un producto mexicano de tanto valor cultural y comercial.

• • • • • •

Fuente de ingreso para 70 mil familias. 310 millones de plantas de agave registradas. 6 mil productores de agave. 146 empresas productoras de tequila. 242.4 millones de litros de tequila producidos al 40% alc. vol. (cifras 2014). 788.2 miles de toneladas de agave consumidas (cifras 2014).

En este sentido podemos afirmar que para afrontar los nuevos retos en materia de innovación se requiere la creación y puesta en marcha de una estrategia de desarrollo con un objetivo de largo plazo que genere ventajas competitivas para el sector y que contribuya a crear infraestructura y sistemas que permitan la realización de estudios y evaluaciones requeridas a lo largo de la cadena productiva, como podrían ser: • • • • •

Nuevos servicios analíticos de laboratorios. Coordinación y desarrollo de proyectos de investigación. Capacitación y desarrollo de capital humano. Validación y transferencia de tecnología. Creación de una plataforma de análisis e interpretación de información estratégica.

Por otro lado, en lo que respecta a las oportunidades que existen actualmente en lo referente a los aspectos fitosanitarios que guarda el sector, la cadena productiva agavetequila actualmente cuenta con un acuerdo por el que se establece la campaña y las medidas fitosanitarias que deberán aplicarse para el control y en su caso la erradicación del picudo del agave, así como disminuir el daño de las enfermedades asociadas a dicha plaga en la denominación de origen tequila (DOT). No obstante, se deben promover nuevas medidas para el control integral fitosanitario de las plantaciones, así como para el manejo de buenas prácticas de cultivo que coadyuven a programar estrategias con fines productivos para seguir expandiendo con éxito el cultivo de agave. Otro punto importante a resaltar es referente a los retos en materia de autenticidad; es un hecho que en la actualidad la protección y defensa de la DOT se ha convertido en un aspecto clave para la participación de las empresas tequileras en los mercados internacionales,

Este tipo de información ya existe para muchos otros productos alcohólicos. En México requerimos de un laboratorio que genere y almacene información permanente del producto y la materia prima de elaboración de los tequilas, poniéndose de esta forma a la altura en este tema de Instituciones de países como Canadá, Francia (EUROFINS), y Estados unidos (TTB). Con base en lo anterior, se vuelve necesaria la creación de un laboratorio especializado en la determinación de la autenticidad del tequila a partir de la técnica analítica con mayor aceptación internacional, como el análisis de las relaciones de isótopos estables (SIRA). Regulación y aspectos comerciales Es un hecho que para la cadena productiva agave-tequila uno de los factores más importantes que detonaron su crecimiento y consolidación en los mercados tanto nacionales como extranjeros es el hecho de haber adoptado un modelo de evaluación que garantiza la calidad y autenticidad del producto, sin embargo, hoy en día podemos afirmar que para mantener y responder a las nuevas exigencias de los mercados, el gran reto de esta agroindustria sin duda será el fortalecer la planeación estratégica con la creación un modelo financiero para el Agave tequilana, con el fin de garantizar la sustentabilidad de la cadena productiva, así mismo deberemos impulsar la creación de instrumentos financieros para estabilización y fomento del agave, en el cual se involucre el gobierno para invertir un fondo capital semilla que se alimente en el tiempo con una cantidad que se aporte por el agricultor en base al consumo de agave, para poder impulsar el esquema de agricultor integrado, así como la investigación y desarrollo tecnológico, cristalizando con ello finalmente una anhelada planeación estratégica. Consideramos que es necesaria la creación de una política pública para el fortalecimiento de los productos con denominación de origen o marcas colectivas para la protección y defensa tanto en México como en el extranjero, que impulse el acompañamiento, la capacitación, la investigación y desarrollo tecnológico en torno a estos productos y así lograr una educación de calidad y un México próspero con crecimiento económico. Lic. Ramón González Figueroa

Director del Consejo Regulador del Tequila A.C. (CRT)

Introducción General Con motivo de la celebración de los 45 años del CONACYT, el CIATEJ publica esta segunda edición de la obra Ciencia y Tecnología del Tequila: Avances y Perspectivas, versión actualizada del libro publicado en 2004, en el que se plasman resultados de más de 25 años de investigación y en los que se han desarrollado e implementado tecnologías en todas las etapas del proceso de producción del tequila. La obra se divide en 9 capítulos que detallan los hallazgos recientes así como conceptos indispensables para el entendimiento profundo de cada etapa del proceso, desde la caracterización de la materia prima y sus problemáticas actuales, de lo más artesanal a lo reciente en los procesos de extracción de jugo de agave, la importancia del conocimiento y control de las levaduras en el proceso fermentativo, los diferentes esquemas de destilación, la composición del producto final relacionado con su calidad y el marco normativo, la importancia del análisis sensorial así como la importante problemática del tratamiento de sus efluentes. La obra también aborda temas como la evolución de su tecnología y el mercado así como una visión tecnológica prospectiva del sector Agave-Tequila. De esta manera, el CIATEJ valida su compromiso de divulgar, compartir y de hacer partícipes a todos los actores de la cadena de valor del agave-tequila, del conocimiento generado por investigadores de gran trayectoria comprometidos con la ciencia y la sociedad.

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos

Capítulo 8

Capítulo 8

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Alberto López López y Silvia Maribel Contreras Ramos INTRODUCCIÓN Paralelamente en los procesos industriales se generan desechos sólidos, líquidos y/o gaseosos, con características particulares del tipo de proceso. En la industria del tequila se genera principalmente vinazas y bagazo. El objetivo de este capítulo es analizar la composición y características de los residuos generados durante la producción del tequila, particularmente las vinazas y el bagazo de agave, para dimensionar la problemática ambiental derivada del mal manejo y disposición final de estos residuos. Además, se presentan las posibles alternativas de tratamiento, transformación y aprovechamiento, para el cumplimiento de la normatividad ambiental y la generación de subproductos con valor agregado que pudieran representar un beneficio económico para el sector tequilero, contribuyendo así a reducir los impactos ambientales. La información de este capítulo se orienta a establecer esquemas de producción de tequila más limpios dentro de una visión de desarrollo sustentable.

Problemática Ambiental del Sector Tequilero Todos los procesos productivos de bienes y servicios generan paralelamente desechos sólidos, líquidos y gaseosos en cantidades y proporciones diferentes, pero sobre todo con características particulares del tipo de proceso, la industria de bebidas alcohólicas y destiladas no es la excepción. Particularmente, el proceso de producción del tequila genera como desechos básicamente bagazo y vinazas, además de emisiones provenientes de la oxidación de

combustibles fósiles en sus calderas. Estos desechos contienen una gran cantidad de materia orgánica y compuestos minerales, cuyas concentraciones y características abren la posibilidad de desarrollar e implementar procesos de tratamiento y transformación orientados a aprovechar y obtener subproductos con valor agregado. Por ejemplo, biogás rico en metano e hidrógeno, composta, vermicomposta (biofertilizantes) y mejoradores de suelos, entre otros. Contrariamente, si estos no se tratan o no se aprovechan, se convierten en una fuente importante de contaminación de cuerpos de agua y suelo.

Producción de Tequila En 2013 la Cámara Nacional de la Industria Tequilera (CNIT) registró 159 empresas y 1380 marcas de tequila de envasado nacional y 268 de envasado en el extranjero. Con base al número de empleados, se tienen contabilizadas: 11 empresas grandes, 19 medianas y 129 pequeñas y microempresas; que en conjunto generan cerca de 30,000 empleos directos (CNIT, 2013). La mayoría de estas empresas se ubican en las tres regiones denominadas: Valles, Altos Sur y Centro; abarcando los municipios de Atotonilco, Arandas, San Ignacio Cerro Gordo, Jesús María, Tequila, Amatitán, Magdalena y Guadalajara (Figura 8.1). Un Modelo digital de elevaciones a escala 1:500000 proporcionado de manera oficial por el Instituto de Información Territorial del Estado de Jalisco (IIT) y procesado en la Unidad de Tecnología Ambiental del CIATEJ, fue utilizado para realizar la Figura 8.1. CIENCIA Y TECNOLOGÍA DEL TEQUILA AVANCES Y PERSPECTIVAS 2a EDICIÓN

343

Capítulo 8


Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos reúso y aprovechamiento (contacto directo e indirecto ocasional) están limitados por la Norma Oficial Mexicana NOM-003SEMARNAT-1997, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes para las aguas residuales tratadas destinadas a utilizarse en servicios al público.

Figura 8.2. Producción de tequila 55% Alc. Vol. en los últimos 20 años (CRT, 2014).

Legislación Ambiental

Figura 8.1. Distribución geográfica de empresas tequileras en el Estado de Jalisco.

La Figura 8.2 muestra el comportamiento de la producción anual del tequila (55% Alc. Vol.) en los últimos 20 años; así la producción de este destilado para el año 2014 fue de 176.3 millones de litros. Aproximadamente el 80% de esta producción, es generada en las empresas grandes. Esta gráfica revela una reducción de la producción entre el año 2000 y el 2003 debido a la crisis que tuvo el cultivo de agave; además de un crecimiento en la producción del orden de 10% anual en el periodo 2004 al 2008. Finalmente, en los últimos seis años, la producción de tequila cayó aproximadamente 20% con respecto al año 2008, debido a la elevada disponibilidad de agave que existe a partir del año 2006. Este agave fue procesado para evitar desperdiciarlo y como consecuencia incrementó los niveles de los inventarios en las bodegas (CRT, 2014). Paralelamente a esta dinámica de producción de tequila, se generan efluentes residuales en el orden de 10 L de vinazas y 1.4 kg bagazo (60% de humedad promedio) por cada litro de tequila producido al 55% Alc. Vol. 344

Esta legislación establece que los responsables de generar y descargar aguas residuales municipales e industriales al medio ambiente, deben cumplir con la normatividad vigente en la materia, en este contexto los efluentes de la industria tequilera no son la excepción. La aplicación de la normatividad en materia de descarga de aguas residuales a este sector y en general a todos los sectores, está en función del cuerpo receptor al cual se vierten sus efluentes. De tal manera que los responsables de los efluentes municipales e industriales que descarguen directamente a cuerpos de agua (p. e. ríos, aguas costeras y arroyos) y bienes nacionales (p.e. suelo) deberán cumplir con la Norma Oficial Mexicana NOM-001-SEMARNAT-1996, que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales en aguas y bienes nacionales. Mientras que las empresas que viertan sus aguas residuales al alcantarillado municipal deberán cumplir la Norma Oficial Mexicana NOM-002SEMARNAT-1996 que establece los límites máximos permisibles de contaminantes en las descargas de aguas residuales a los sistemas de alcantarillado urbano o municipal. Por otro lado, cuando las aguas residuales son sometidas a proceso(s) de tratamiento, su

Finalmente, las especificaciones y los límites máximos permisibles de contaminantes de lodos y biosólidos generados en los sistemas de tratamiento de agua residual, plantas potabilizadoras y sistemas de alcantarillado, así como los tratamientos que deberán recibir estos residuos para su aprovechamiento y disposición final son descritos en la Norma Oficial Mexicana NOM-004-SEMARNAT-2002. Para los responsables de los efluentes tequileros, el cumplimiento de los límites máximos permisibles en las Normas Oficiales Mexicanas es una responsabilidad compleja y difícil de lograr desde un punto de vista de tratamiento de aguas residuales debido a la elevada concentración de materia orgánica presente en estos efluentes; sin embargo, para los responsables de efluentes municipales o domésticos, el cumplimiento de las mismas Normas no tiene mayor complicación. Esta comparación nos lleva a hacer la siguiente aclaración, en el sentido de que los límites permisibles fijados en las Normas están orientados a proteger el ambiente y la salud pública, más que establecidos para a un tipo de efluente municipal o industrial. Contaminación del Sector Simultáneamente a la producción del tequila se generan cantidades importantes de bagazo y vinazas. El bagazo es un residuo sólido que se genera en la elaboración del tequila y se produce durante la extracción del jugo de las cabezas cocidas de agave. Por su parte, las vinazas son desechos líquidos que se generan y permanecen en el fondo del alambique después

Capítulo 8

de la destilación del mosto de agave fermentado. Tal como se mencionó anteriormente un litro de tequila genera 1.4 kilogramos de bagazo y 10 litros de vinazas en promedio. Bajo esta base de cálculo se estima que la producción de tequila en el 2014 generó más de 245 millones de kilogramos de bagazo y 1,763 millones de litros de vinaza. En la mayoría de las empresas tequileras, el bagazo se convierte en composta, misma que se aprovecha en sus plantaciones de agave. Sin embargo, solo las empresas grandes dan tratamiento a sus vinazas antes de ser descargadas al suelo, cuerpos de agua y alcantarillado municipal, mientras que las empresas pequeñas y medianas no tienen el recurso financiero para este fin. Esta situación ocasiona un deterioro en diferentes grados de los cuerpos receptores debido a las características fisicoquímicas que presentan las vinazas tales como el pH ácido, temperatura elevada y alta carga orgánica medida como demanda bioquímica de oxígeno y demanda química de oxígeno (DBO y DQO, respectivamente). La producción de tequila en el 2014 además de generar un volumen de 1,763 millones de litros de vinaza, generó 88,145.5 toneladas de materia orgánica medida como DBO que de no haberse tratado en su totalidad, sería equivalente a la contaminación anual de una población de 4 millones 829 mil 888 habitantes. En un ambiente cerrado, 1 kg de DBO consume el oxígeno disuelto de 200 m3 de agua “limpia” Tchobanoglous y col., (1991) por lo tanto las 88,145.5 ton de DBO generadas en 2014 al descargarse en cuerpos de agua sin previo tratamiento, podrían haber comprometido 17.6 km3 de agua “limpia”. Inversión del Sector para Reducir la Contaminación Las empresas grandes y algunas medianas han comprometido recursos financieros importantes, más de 30 millones de dólares en proyectos para tratamiento de bagazo y vinazas que se encuentran en diferente 345

Capítulo 8


grado de avance (CNIT, 2013). Por la complejidad técnica que representa el tratamiento de las vinazas, las plantas de tratamiento que se encuentran en operación no han sido técnicamente eficientes para cumplir la normatividad vigente en la materia, por lo que los esfuerzos para mejorarlas continúan. Sin embargo, las empresas medianas, pequeñas y micros se enfrentan a una limitante de recursos financieros fuerte para este propósito. Por otro lado, considerando que el 80% de la producción de tequila es de las grandes empresas, el problema de tratamiento y contaminación de las vinazas se resuelve en esa proporción, si estas empresas culminan y operan con éxito sus proyectos de plantas de tratamiento. Para el caso de las pequeñas y medianas empresas es recomendable buscar esquemas de financiamiento con bajas tasas de interés, con organismos gubernamentales y no gubernamentales, orientados a financiar la construcción y operación de sistemas de tratamiento colectivos dentro una misma región. Reto Tecnológico A pesar de los esfuerzos de consultores, instituciones y grupos de investigación para adaptar y desarrollar procesos biológicos y fisicoquímicos para el tratamiento de vinazas tequileras, estos han sido insuficientes para dar una solución técnica y rentable para cumplir la normatividad. Por naturaleza, la composición química de las vinazas es compleja. Adicionalmente la tecnología comercial convencional (floculación-coagulación, lodos activados y las variantes de estos) está orientada al tratamiento de aguas residuales municipales u otros efluentes residuales con mayores índices de biodegradabilidad. Esta situación ha complicado el tratamiento de las vinazas, pero sobre todo ha puesto en incertidumbre la inversión de los empresarios tequileros que desean tratar sus efluentes y cumplir con las normas ambientales. En este sentido, el desarrollo de una tecnología que presente viabilidad técnica y económica sigue siendo un reto. 346

EFLUENTES DE LA INDUSTRIA TEQUILERA Vinazas Tequileras Las vinazas tequileras se definen como un residuo líquido compuesto de sustancias no volátiles que se genera y permanece en el fondo del alambique de la destilación del mosto de agave fermentado durante el proceso de producción del tequila. También se incluye el aceite de fusel, fluido claro y transparente (flemasas en el argot tequilero), que se obtiene en la rectificación o segunda destilación. Físicamente, la vinaza es un líquido de color café rojizo y turbio a causa del elevado contenido de sólidos en suspensión, con un olor característico a alcohol-caramelo que recuerda el olor de agave cocido (ver Figura 8.3). En las vinazas permanecen las fibrillas de agave que no se retuvieron en la etapa de filtración del jugo, células de levadura agotada, azúcares residuales, ácidos, ésteres, alcoholes superiores, sustancias que dan color caramelo, etc. Aunque estos efluentes no son clasificados como residuos peligrosos, sí se catalogan dentro del tipo de aguas residuales complejas (Ilangovan y col., 1996; Linerio, 2002).

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Composición del Efluente La composición de las vinazas es muy variable entre empresas y también dentro de una misma destiladora. En general podemos decir que la vinaza es retirada de los alambiques a una temperatura del orden de 90 °C, pH < 4 y una Demanda Química de Oxigeno del orden de 40,000-80,000 mg/L y Sólidos Totales del orden de 35,000 mg/L. Un factor importante lo determina el proceso de producción de tequila, es decir, si se elabora tequila 100% agave o tequila 51% (nombre comercial: tequila). En la vinaza de tequila 100% agave, la cantidad de fibra es mayor, mientras que en el tequila 51% agave puede tener mayor o menor intensidad de color caramelo y concentración de sales minerales, lo cual depende de si la fuente de azúcares complementaria proviene de las principales fuentes alternativas de azúcares como son piloncillo o azúcar estándar. Otro factor importante, es el nivel de tecnificación que utiliza la empresa en la producción del tequila, p. e. para el cocimiento, algunas utilizan horno de mampostería, mientras que otras utilizan autoclave. Para la extracción del jugo de agave la mayoría de las empresas utilizan un sistema mecánico de molienda; mientras que las grandes empresas tienden a utilizar difusores. La Tabla 8.1 indica la posible variación en la composición de la vinaza de una empresa, este es un factor importante que debe considerarse para la implementación de un pre-tratamiento para la eliminación de sólidos y homogeneización de materia orgánica.

Capítulo 8

La Tabla 8.2 muestra la variación en la composición de la vinaza según el tipo de tequila producido, la vinaza de tequila 100% agave presenta un mayor contenido de materia orgánica, medida como DQO total y DBO total, además de una mayor concentración de sólidos; lo cual está asociado a la gran cantidad de fibrilla del agave. La diferencia de valores entre la DQO total y DQO soluble, para ambos tipos de vinazas, está ligada al alto contenido de sólidos sedimentables, los cuales podrían eliminarse por medio de una etapa de sedimentación. Considerando la relación de DBO/DQO de 0.53 a 0.59, en ambas vinazas, podemos decir que las vinazas tequileras tienen aproximadamente entre 53% y 59% de materia biodegradable; el resto es materia orgánica integrada por compuestos de baja biodegradabilidad. Existe un criterio entre varios, en cuanto a la selección de procesos de tratamiento de aguas, que establece que cuando la relación DBO/DQO > 0.5, el proceso biológico es una buena opción. Bajo este argumento y considerando la elevada concentración de materia orgánica presente en las vinazas, podría decirse que el proceso anaerobio presenta viabilidad técnica para tratar los efluentes tequileros. Además de considerarse otras etapas de post-tratamiento que contribuyan a degradar la materia orgánica persistente del proceso anaerobio, la cual no debería de ser necesariamente la diferencia de 1-DBO/ DQO, sino un valor menor. Otra diferencia importante en ambos tipos de vinazas (100% y 51% agave) es el contenido

Tabla 8.1. Composición de diferentes muestras de vinaza de una destiladora.

Figura 8.3. Apariencia de la vinaza tequilera. - Foto: Edgardo Villegas.

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Capítulo 8


observa que los valores de este parámetro son más altos para las vinazas de tequila 100% agave, lo cual implica que van a tender a fermentarse más rápido. Esto repercute en la estabilidad del tratamiento anaerobio, debido a que será necesario utilizar mayor alcalinidad en el proceso para neutralizar la acidez. Otras observaciones importantes son las concentraciones de sulfato y potasio. El primero promueve el desarrollo de compuestos potencialmente tóxicos en la

fermentación anaerobia y el crecimiento de bacterias sulfato-reductoras que compiten con los microorganismos productores de metano. Mientras que el potasio, es un elemento presente en gran cantidad en las vinazas de melazas de caña, y se ha reportado que es dañino cuando se utiliza en la alimentación de rumiantes. En el caso de las vinazas tequileras ninguno de estos elementos se presenta en cantidades apreciables, a diferencia de las vinazas alcoholeras: 3-6 g/L y 4-10 g/L de sulfatos y potasio, respectivamente (Ilangovan y Noyola, 1993).

Tabla 8.2. Características físicoquímicas de las vinazas tequileras (Adaptado de López-López y col., 2010).

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Un estudio relacionado con la fermentación aeróbica de vinazas tequileras reportó la composición enfocándose en otros compuestos, tales como azúcares, alcohol y acidez (Tabla 8.3). Las concentraciones encontradas de los ácidos acético, láctico y tartárico son similares a las encontradas en vinazas de caña de azúcar. Además, se asume que la variación en composición de azúcares reductores, peso seco, cenizas y DBO está relacionada con variaciones propias del proceso y de factores que no se controlan normalmente como riqueza alcohólica uniforme en todas las destilaciones, que el volumen adicionado de piloncillo no es constante, tiempos de fermentación diferentes, variaciones de temperatura, etcétera (Fuentes, 1990).

Capítulo 8

olor y aroma característicos del tequila, por lo que se presume que algunos de ellos no son digeribles por las levaduras durante la etapa de fermentación y que forman parte de la fracción no volátil, principalmente los compuestos producidos en las reacciones Maillard que permanecen en las vinazas después de la destilación. ESTADO DE LA TÉCNICA EN EL TRATAMIENTO DE VINAZAS TEQUILERAS El estado de la técnica es abordada desde un punto de vista de la operación y proceso unitario empleado para remover uno o algunos contaminantes presentes en el agua residual. Aquí los procesos de tratamiento de vinazas son descritos en un orden lógico

Tabla 8.3. Composición de las vinazas tequileras. Datos promedio de 8 lotes de una empresa destiladora (Fuentes, 1990).

No existe información exhaustiva sobre compuestos más específicos presentes en las vinazas tequileras, como sustancias que dan color caramelo; sin embargo, los estudios de Mancilla-Margalli y López (2002), enfocados a la generación de compuestos de Maillard durante la cocción del agave, a partir de la hidrólisis de la inulina, principal azúcar presente en el Agave tequilana, reportaron la formación de furanos, piranos, aldehídos y compuestos nitrogenados y sulfurados en exudados de agave. También reportan al 2-metil furoato, el 5-hidroximetil furfural, y a los ácidos grasos de cadena larga y corta como los compuestos más abundantes. Dichos compuestos son de suma importancia en el 348

y secuencial de un sistema de tratamiento: pre-tratamiento, tratamiento primario, tratamiento secundario (fisicoquímico o biológico) y procesos avanzados; probados algunos a nivel laboratorio y otros a nivel industrial. Cabe señalar que al apartado de procesos anaerobios, se le ha dedicado mayor espacio, dada su importancia que tiene dentro del tratamiento de vinazas tequileras. Pretratamiento El pre-tratamiento o acondicionamiento de la vinaza consiste en bajar la temperatura y elevar el pH de 3.5 a un valor de 6 - 7. La práctica común para reducir la temperatura 349

Capítulo 8


de 90 ºC a 40 °C es llevarla a tanques o lagunas de recepción o almacenamiento, en condiciones de medio ambiente. La neutralización del pH de la vinaza se realiza en los mismos tanques de recepción y en algunos casos en lagunas, utilizando Ca(OH)2 mejor conocida como cal. Esta etapa de tratamiento de vinazas es practicada en todas las escalas de tratamiento. Tratamiento Primario Lagunas de Sedimentación Las lagunas son muy utilizadas a escala industrial para almacenar y al mismo tiempo se han utilizado para remover los sólidos sedimentables (SSed) presentes en las vinazas, y aún cuando más del 80% de SSed son eliminados, la concentración de materia orgánica permanece por arriba del 90%. Sin embargo, la mayor parte de las lagunas no están técnicamente acondicionadas para tal propósito, lo cual se convierte en un riesgo de contaminación del suelo y subsuelo (Bautista-Zúñiga y Durán-de-Bazúa, 1998). Flotación con Aire Disuelto La flotación con aire disuelto, por sus siglas en inglés DAF, es una tecnología poco aplicada al tratamiento de vinazas a escala industrial, en los casos utilizados se adiciona un polímero para acelerar la separación de sólidos suspendidos (SS) antes o después de un tratamiento biológico. Existe una elevada remoción de más del 80% de SS, sin embargo los sólidos disueltos (SD) y la demanda bioquímica de oxígeno (DBO) no se reducen considerablemente (Figura 8.4).

Procesos Fisicoquímicos Coagulación-floculación La coagulación-floculación es el proceso fisicoquímico más utilizado a nivel laboratorio, piloto e industrial para tratar vinazas tequileras, en el cual se utiliza sulfato de aluminio Al2(SO4)3 como coagulante y polímero como floculante. A nivel industrial es utilizado para remover SS y sólidos coloidales con eficiencias entre el 20-30 %. A nivel laboratorio, un efluente anaerobio de vinazas fue tratado con 3.3 g/L de Al2(SO4)3 a un pH = 6 alcanzando a remover el 70% de color y 37% de DQO (Meza-Pérez y col., 1996). Linerio-Gil y Guzmán-Carrillo (2004) utilizaron 5 mg/L de Al2(SO4)3 más 1.5 mg/L de un polímero comercial en el proceso de coagulaciónfloculación para tratar vinazas crudas previamente sedimentadas, alcanzando a remover sólo el 25% de la demanda química de oxígeno (DQO). Íñiguez-Covarrubias y Peraza-Luna (2007) probaron la eficiencia de un polímero catiónico para la remoción de SS en vinazas tequileras, encontrando remociones de hasta el 100%; los costos estimados por estos autores corresponden a 0.076 dólares americanos/litro de vinaza, para un costo de polímero de 3.8 dólares por kilogramo. Sin embargo, en los diferentes niveles de tratamiento, la remoción de SD es mínima lo cual se ve reflejado en la escasa reducción de materia orgánica (DQO y DBO); además este proceso presenta el inconveniente de la generación de grandes cantidades de lodos, y de los costos que implican las dosis necesarias de coagulante o polímero.

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos transforma la materia orgánica a metano, bióxido de carbono y agua. Este proceso también conocido como biometanación o metanogénesis, se desarrolla bajo condiciones específicas de temperatura, alcalinidad, pH, y nutrientes. Respecto a la ingeniería del proceso, ésta se puede realizar de forma continua, semi-continua o por lotes, con biomasa suspendida o inmovilizada sobre un medio de soporte y en arreglo de flujo. Lo que da como resultado una gama amplia de reactores, resumidos en la Tabla 8.4. En la Figura 8.5 se muestra un proceso anaerobio en reactor EGSB para el tratamiento de vinazas tequileras.

Capítulo 8

Figura 8.5. Proceso Anaerobio en Reactor EGSB para el tratamiento de vinazas tequileras.

Tabla 8.4. Resumen comparativo de diferentes tecnologías anaerobias.

Procesos Biológicos Digestión Anaerobia

Figura 8.4. Sistema DAF para separación de SS de un efluente anaerobio.

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Para el tratamiento de efluentes de las industrias de vinos y bebidas destiladas existen en el mundo numerosas tecnologías que operan con diferentes eficiencias. Gran parte de ellas involucra como etapa central el proceso anaerobio, donde un consorcio de bacterias en ausencia de oxígeno molecular

Factores que Afectan el Proceso Anaerobio El sistema de tratamiento anaerobio es más vulnerable a los factores ambientales que un aerobio. Los principales factores que lo afectan son (Khanal, 2008):

Temperatura Los procesos anaerobios, al igual que otros procesos biológicos, tienen una gran dependencia de la temperatura. La conversión anaerobia de materia orgánica 351

Capítulo 8


tiene su máxima eficiencia a una temperatura de 35-40 °C para condiciones mesofílicas y cercanas a 55 °C para las condiciones termofílicas. Sin embargo, los procesos anaerobios pueden aún funcionar dentro de un intervalo de 10-45 °C sin cambios importantes en el ecosistema microbiano. En general, los procesos de tratamiento anaerobios son más sensibles a los cambios de temperatura que en el proceso de tratamiento aerobio. pH y Alcalinidad Los resultados del tratamiento anaerobio son afectados por cambios ligeros de pH, lejos de un intervalo óptimo. Hay dos grupos de bacterias en términos del pH óptimo, es decir, bacterias productoras de ácido (acidogénicas) y las bacterias productoras de metano (metanogénicas). Las acidogénicas prefieren un pH de 5.5 a 6.5, mientras que las metanogénicas prefieren uno de 7.8 a 8.2. En un entorno en el que conviven esta comunidad microbiana, el intervalo de pH óptimo es de 6.8 a 7.4. La metanogénesis se considera como el paso limitante de la velocidad, donde ambos grupos de bacterias están presentes y es necesario para mantener el pH del reactor y tenerlo cerca de la neutralidad. Los microorganismos metanogénicos son más susceptibles a la variación de pH que otros dentro de la comunidad microbiana. Las bacterias acidogénicas son significativamente menos sensibles a valores de pH, y bajo ciertas condiciones de operación la fermentación ácida puede prevalecer sobre la metanogénesis, lo que puede resultar en una elevada acidez del reactor. El pH de un sistema anaerobio, operando dentro de un intervalo aceptable, se controla principalmente, por la producción de alcalinidad propia o por la alcalinidad natural. Sólo los residuos que contienen alto contenido de nitrógeno orgánico pueden contribuir de forma adecuada a la alcalinidad. Muchos desechos ricos en carbohidratos no contribuyen a la alcalinidad, porque 352

carecen de nitrógeno orgánico. El éxito del tratamiento anaerobio de aguas residuales es debido a la suplementación de alcalinidad necesaria para el proceso. Nutrientes y Metales Traza Todos los procesos microbianos requieren de nutrientes y micronutrientes durante el tratamiento de efluentes residuales. En el caso de nutrientes y metales traza no están directamente involucrados en la estabilización de los residuos, pero ellos son los componentes esenciales de una célula microbiana y son requeridos para el crecimiento y la síntesis de nuevas células. Además, los nutrientes y metales traza también proporcionan condiciones fisicoquímicas deseables para el crecimiento óptimo de los microorganismos. Es importante señalar que si el flujo de residuos en cuestión no tiene uno o más de los nutrientes y micronutrientes importantes, la degradabilidad de residuos es severamente afectada. Esto se debe a la incapacidad de las células microbianas para crecer a una velocidad óptima y para la reproducción de nuevas células. Toxicidad e Inhibición Los microorganismos anaerobios son inhibidos por sustancias presentes en los residuos y por los subproductos metabólicos de los microorganismos. El amoníaco, metales pesados, compuestos halogenados, y el cianuro, son ejemplos del primer caso, mientras que el amoníaco, sulfuro, y los ácidos grasos volátiles son ejemplos del segundo. Es interesante señalar que muchos microorganismos anaerobios son capaces de degradar materia orgánica refractaria que para otros procesos podrían ser considerados como tóxicos. En algunos casos, la tolerancia se manifiesta por la aclimatación de los agentes tóxicos.

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Estas observaciones proporcionan una causa optimista acerca de la viabilidad del tratamiento anaerobio para aguas residuales industriales que contienen concentraciones significativas de compuestos tóxicos o inhibitorios. Medio de Soporte En el caso de procesos anaerobios de película fija, el medio de soporte de biopelícula juega un rol importante, permite la retención de SSV (biomasa) al interior del mismo, a través de la biopelícula formada en su superficie y, principalmente, en los intersticios del lecho. Este material generalmente ocupa entre 60 y 80% de la altura total del reactor. Aportaciones al Tratamiento Anaerobio de Vinazas Tequileras La digestión anaerobia o proceso anaerobio ha sido muy utilizado para tratar vinazas tequileras, hoy en día existen sistemas de tratamiento de este tipo a nivel laboratorio, piloto e industrial; su aplicación a los diferentes niveles de tratamiento, obedece a las ventajas técnicas y económicas que tiene este proceso con respecto a los procesos aerobios (Noyola, 1999). En México los trabajos de digestión anaerobia con vinazas tequileras se iniciaron a principio de los años 90 del siglo XX en reactores empacados, reactores UASB y filtro anaerobio por Pinedo (1990) y García-Dueñas, (1991) quienes reportaron rendimientos moderados de reducción de DQO de entre 50 y 70%; debido a la ausencia de lodo anaerobio de actividad metanogénica adecuada y adaptado al sustrato. Posteriormente, Álvarez y col. (1995) y Chávez (1997) reportaron una disminución de DQO en el orden del 80% en reactores UASB.

Capítulo 8

Una aplicación específica de las vinazas en reactores de película fija lo reportó Voellger (2000), quien usó un reactor anaerobio de lecho fluidizado y película fija, con piedra pómez como material de soporte. El sustrato fue vinazas tequileras 100% agave, con una DQO de 54 g/L y pH de 3.3. El arranque se realizó por lote, primero se alimentó con vinaza en una concentración de 1.5 g DQO/L, con adición de nutrientes N y P; la carga se incrementó a 9 g DQO/L, con adición de metanol y acetato de sodio, para favorecer el desarrollo de bacterias metanogénicas. En la experimentación en continuo la carga orgánica se incrementó de 7.25 kg DQO/m3/d hasta 20.583 kg DQO/ m3/d; aunque la mayor remoción de DQO (90%) se observó aplicando una carga de 9.9 g kg DQO/m3/d y TRH de dos días. Esto implica que en cada caso es necesario buscar las condiciones de operación adecuadas y que representen un equilibrio entre la mayor remoción porcentual de DQO y una carga volumétrica alta, sin afectar la capacidad de depuración del consorcio microbiano. En este caso específico y que es generalizable al tratamiento de vinazas tequileras por su elevada concentración de azúcares (6.2 g de azúcares libres y 9.0 de azúcares totales por litro) se presentó la acidificación del reactor. Debido a esto fue necesario utilizar acetato y metanol en la etapa de arranque e irlos sustituyendo lentamente con vinaza para favorecer y asegurar el crecimiento de bacterias metanogénicas y evitar así el desarrollo acelerado de microorganismos que crecen más rápido y utilizan azúcares como fuente de sustrato, buscando siempre mantener un equilibrio entre los diferentes grupos bacterianos involucrados en el proceso. Para evaluar el efecto de recirculación de la vinaza sobre la acidificación del reactor, Ilangovan y col. (1996) y Álvarez y col. (1995) realizaron el arranque mediante incrementos escalonados de carga orgánica volumétrica en dos reactores UASB, con y 353

Capítulo 8


sin recirculación (relaciones 1:1 y 1:8). En este caso la recirculación permitió alimentar cargas mayores hasta de 22 kg DQO/m 3/d y remoción de DQO del 86% (Figura 8.5). El objetivo logrado fue diluir la materia orgánica inicial y el efecto de los ácidos grasos volátiles (AGVs) generados. También se suprimió la alcalinidad suplementada al sistema, aunque por otro lado afectó la forma granular del lodo que pasó a ser un lodo mixto (granular y floculento).

Méndez-Acosta y col. (2010) trabajaron con un reactor de tanque agitado de flujo continuo (en inglés CSTR) para el tratamiento anaerobio de vinazas tequileras, logrando remover del 90-95% de materia orgánica y alcanzando una producción de 537 litros de biogás por kilogramo de DQO con un contenido de 60% de metano. El lodo anaerobio aclimatado fue capaz de tolerar cambios de carga orgánica de 1 a 6 kg DQO/m3/d, aún bajo una proporción desequilibrada DQO/N/P.

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Tabla 8.5. Resumen de contribuciones al tratamiento de vinazas tequileras utilizando digestión anaerobia.

López-López (2010) utilizando un reactor UASB a nivel laboratorio con cargas entre 15 y 30 kg/m3/d y relaciones de recirculación 1:10 logró remover en el orden de 70 al 85% de materia orgánica como DQO. Además, el fluente anaerobio fue tratado con ozono y la reducción de DQO aumentó sensiblemente en un orden del 95%. Sin embargo el color que regularmente persiste en los efluentes biológicos desapareció totalmente. La tabla 8.5 es un resumen de contribuciones al tratamiento de vinazas tequileras utilizando digestión anaerobia. Digestión Anaerobia Truncada o Acidogénesis para Producir Hidrógeno

Figura 8.6. Eficiencia de remoción de DQO en reactores UASB, con y sin recirculación del efluente.

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Capítulo 8

Existe un creciente interés en la producción de hidrógeno (H2) por vía biológica, a partir de residuos orgánicos, principalmente debido al alto contenido energético como H2 y a que en su aprovechamiento para producir energía sólo se generan agua y calor como subproductos (Davila-Vazquez y col., 2008). Existen pocos reportes sobre el aprovechamiento de vinazas para la producción de hidrógeno (EspinozaEscalante y col., 2008; Montes-Moncivais y col., 2008; Espinoza-Escalante y col., 2009), todos

ellos a nivel laboratorio y mediante una versión trunca de la digestión anaerobia, obteniendo como productos gaseosos finales al H2 y CO2. Espinoza-Escalante y col. (2008) estudiaron el efecto de tres pre-tratamientos (adición de álcali, tratamiento térmico y sonicación) para aumentar la eficiencia de la hidrólisis de las vinazas en una etapa acidogénica en lote. Con base a los resultados obtenidos, estos autores consideraron que la producción de H2 a partir de vinazas es factible técnicamente y proyectaron un potencial de ingreso anual para las tequileras, de 67,000.00 dólares americanos por el aprovechamiento del H2. En otro estudio con experimentos en lote, los autores evaluaron la producción de H2 a diferentes pH y temperaturas iniciales con vinazas tequileras y alcoholeras azucareras, concluyendo que las vinazas tequileras son mejores sustratos que las azucareras a temperatura mesofílica y a pH de 6.5 (Montes-Moncivais y col., 2008). Por otro lado, Espinoza-Escalante y col., (2009) estudiaron el efecto de tres parámetros de operación (TRH, pH y temperatura) en experimentos semi-continuos para hacer eficiente la producción tanto de metano (CH4) como 355

Capítulo 8


de hidrógeno (H2), encontrando mejores resultados para la producción de H2 a pH = 5.5, TRH = 5 días y temperatura de 55 °C. Los estudios mencionados anteriormente, evidenciaron que hay un gran potencial de producción de H2 a partir de vinazas tequileras y que aún hay mucho por proponer en cuanto a la optimización de condiciones de fermentación para el escalamiento de este proceso. Proceso Aerobio En este proceso una biomasa de tipo aerobio entra en contacto con la materia orgánica presente en el agua residual. En este proceso la transferencia y presencia el O2 molecular juega un papel muy importante en la supervivencia y reproducción de los microorganismos responsables de la degradación de la materia orgánica. Los procesos aerobios puede ser biomasa suspendida como: lodos activados en su diferentes formas de operación, convencional, elevada carga orgánica, aireación extendida, además de los procesos en lagunas aireadas y en reactores por lote secuencial (por sus siglas en inglés SBR); y de biomasa fija como: contactores rotatorios mejor conocidos como biodiscos y filtros percoladores. Sin embargo el más utilizado en el tratamiento de aguas residuales municipales e industriales con materia orgánica biodegradable es el de lodos activados. El proceso se efectúa en un tanque aireado, aquí la materia orgánica es degradada por las bacterias presentes; paralelamente al proceso de degradación se lleva a cabo una sedimentación para separar la biomasa en exceso (lodos) del agua, además de realizar una recirculación de una fracción de lodos, para mantener una concentración constante de microorganismos en el reactor, y de realizar una purga de lodos equivalente a la cantidad de biomasa crecida. Las principales desventajas de este proceso están asociadas al consumo de energía de motores y/o sopladores para el suministro 356

de aire a los tanques de aireación, a los problemas de difusión de oxígeno cuando las concentraciones de sólidos suspendidos en el reactor es muy elevada (mayor de 10,000 mg/L) y al gran volumen de lodo generado en comparación con un proceso anaerobio. Bajo este contexto, el proceso aerobio es recomendable para aguas residuales industriales con concentraciones de DBO < 3000 mg/L y elevada biodegradabilidad, así como relaciones DBO/DQO > 0.5. Particularmente, los procesos aerobios se han utilizado en su modalidad de elevada carga orgánica y aireación extendida en el pos-tratamiento fisicoquímico y anaerobio respectivamente de vinazas tequileras con las desventajas antes citadas (Figura 8.7).

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos a radiación UV, H2O2, TiO2 y moderadas remociones de DQO; aunque esta última se ha visto incrementada (97%) con el uso de TiO2 como fotocatalizador (López-López y col. 2007; Satyawali y Balakrishnan, 2008). Beltrán y col. (2001) utilizaron la ozonización como post-tratamiento de un proceso biológico para tratar vinazas generadas en la destilación de jugo de uva fermentado. El reactor biológico en lote fue inoculado con lodo de una planta de tratamiento de aguas residuales municipales. Así, las eficiencias de remoción de la DQO y del carbono orgánico total (COT) fueron de 95 y 80% respectivamente, sin embargo la reducción de polifenoles y absorbancia en 254 nm (A254) no fue mayor del 35 y 15%, respectivamente. Cuando se utilizó ozonización después del tratamiento biológico la reducción de polifenoles y A254 se incrementaron al 80 y 60% respectivamente. De manera similar, López-López (2010) aplicó ozonización al efluente de un tratamiento anaerobio de vinazas tequileras, mejorando ligeramente la reducción de DQO en un orden del 10%; por el contrario, la reducción de la A254 fue mayor al 60% y el color prácticamente desapareció. Otros Procesos

Figura 8.7. Lodos activados modalidad de aireación extendida en el pos-tratamiento anaerobio de vinazas tequileras.

Procesos Avanzados Ozonización El ozono es un oxidante fuerte, con amplia utilización en la potabilización del agua y en el tratamiento de aguas residuales para degradar colorantes, fenoles, plaguicidas y en vinazas alcoholeras y tequileras como pre y post-tratamiento alrededor de procesos biológicos (Beltrán, 2004; López-López y Pic, 2006). La capacidad del ozono para remover color se incrementa considerablemente cuando es acoplado

Capítulo 8

Humedales Los humedales consisten de uno o más estanques o canales de poca profundidad (aproximadamente 0.7 m), donde se siembran plantas acuáticas. Estos se usan para el tratamiento de aguas residuales domésticas y en los últimos años se han probado a nivel piloto con aguas residuales industriales (Figura 8.8) . Los humedales se consideran en una etapa final o de pulimiento, por lo que un sistema de tratamiento a base de humedales lleva consigo otros procesos de tratamiento previo a los humedales. Según su régimen de flujo, existen humedales superficiales y subsuperficiales (Zurita-Martí, 2008) .

Figura 8.8. Representación de un humedal de flujo subsuperficial.

Billore y col. (2001) probaron un humedal con cuatro celdas en serie, las dos primeras para tratamiento biológico y sin plantas; la tercera se sembró con Typha latifolia para remover fósforo y la última celda se sembró con Phragmites karka. La remoción total de DQO 65% y una reducción moderada de los demás parámetros. El estudio también reveló que las aguas de elevada carga orgánica impactan en la morfología, la anatomía de los tejidos y en el crecimiento de las plantas, así como en la composición de la biopelícula (Billore y col., 2001). Por su parte, Linerio (2002), utilizó dos humedales en serie como parte de un sistema de tratamiento para vinazas tequileras, el primero con lirio y el segundo con lecho de raíces, el primero redujo la DBO de 8000 a 2000 mg/L, mientras el segundo lo hizo hasta 100 mg/L. Producción de Alcohol En algunos de los estudios se ha reportado la producción de alcohol a partir de mezclas de melazas de caña con vinazas tequileras y de ingenio. La eficiencia de las vinazas tequileras y del ingenio fue del 92% y del 74%, respectivamente, similares a las reportadas por la industria tequilera, pero mayores a las que se obtienen en el ingenio. La concentración obtenida de alcohol permaneció en el intervalo de 42.24 a 42.96 g/L, con 6.6 °GL de riqueza alcohólica a 35 °C durante 48 h, con un rendimiento etanol/ sustrato (Yp/s) de 0.46 y una velocidad de producción de 1.6 g/L/h. En este caso las 357

Capítulo 8


vinazas tequileras pueden sustituir hasta en 100% el agua de dilución en el proceso de producción de alcohol (Juárez, 1991). Por otra parte, Sánchez (1991) también aprovechó el efluente para la producción de alcohol, con la variante de recircular vinazas para diluir el mosto tequilero, en concentraciones de 25, 50, 75 y 100% v/v. Este autor observó que ningún mosto presentó diferencia significativa en el rendimiento etanol-sustrato (Yp/s), y que la dilución 75% v/v fue la que presentó mejor rendimiento, 0.47 g etanol/g azúcar consumido (Tabla 8.6). Aunque se encontró que la vinaza no influye en el rendimiento, hay una diferencia significativa en la producción de alcohol en los medios probados. Al analizar mediante cromatografía de gases los destilados del quinto ciclo de recirculación y comparándolos con los destilados de dos empresas tequileras, se presentaron diferencias cualitativas poco significativas en la composición del producto, debido a la reducción de la presencia de algunos compuestos. Esto permite concluir que la vinaza no influye significativamente en la composición del producto de la fermentación de agave. Respecto a la remoción de materia orgánica, en el tercer ciclo se presentó una remoción de DBO del 23%, pero el valor máximo de remoción (80%) se presentó en la cuarta recirculación. Tal como lo establece Sánchez (1991), el uso periódico de la recirculación de vinazas disminuye la DBO5 sin afectar el rendimiento. Las ventajas de reúso del efluente son: proveer nutrientes, aumentar capacidad reguladora del pH y reducir el consumo de agua, además de reducir la concentración DBO en el agua residual.

Producción de Proteína Unicelular En cuanto a la producción de proteína unicelular para alimentación animal, Fuentes (1990) realizó una fermentación aeróbica con la levadura Candida utilis y evaluó la reducción de DBO5 en vinazas tequileras. Esto lo realizó mediante la optimización de las variables de agitación y aireación, por una metodología de superficie de respuesta (RSM), dentro de una región de exploración de 200 a 400 rpm y para aireación de 0.4 a 1.0 vvm con un diseño factorial de 22 con dos puntos centrales y un modelo polinomial de primer orden, en donde encontró como valores óptimos 364 rpm de agitación y 0.82 vvm de aireación con un porcentaje de reducción total de DBO5 de 85.7, muy cercano al predicho de 88% (error 2.6%). Además observó un incremento considerable de Candida utilis y un ligero aumento del pH, todo esto en un tiempo de 24 h (Figura 8.9). Por otra parte, Covarrubias y col. (1997) desarrollaron un sistema de lodos activados, con vinazas como sustrato e inoculado con Sacharomyces cerevisina, y lograron una remoción máxima de DQO soluble de 71% con un TRH de 4.5 días. El índice volumétrico de biomasa recuperada fue de 16.3 ml/g.

Figura 8.9. Incremento en peso seco de Candida utilis y reducción de DBO en medio de vinazas tequileras (Fuentes, 1990).

Tabla 8.6. Reducción de DBO 5 en la recirculación de vinazas.

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Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Evaporación Múltiple La evaporación múltiple más que un proceso de tratamiento es una operación unitaria que permite separar y concentrar la fase sólida de una solución sólida-líquida evaporando la fase líquida en dos, tres o más efectos (Figura 8.10). Esta operación

Capítulo 8

sigue siendo una fuente de contaminación del medio ambiente. Sistemas de Tratamiento Operando a Escala Industrial La Tabla 8.7 presenta un resumen esquematizado de los sistemas más

Figura 8.10. Diagrama de un evaporador de triple efecto para concentración de sólidos Adaptado de: FCFM, 2004.

se realiza utilizando vapor saturado. La evaporación múltiple es una operación unitaria bien estudiada desde un punto de vista de fenómenos de transporte (intercambio de calor). En los últimos años se ha utilizado esta operación para concentrar sólidos en vinazas alcoholeras y tequileras a gran escala en un orden de 5070% en ST, lo cual depende del número de efectos o evaporaciones en serie (ConchaPeláez, 2006). Por ejemplo, concentrar la vinaza del 3 al 60 % de ST, por medio de evaporadores efectos triple requiere de volúmenes de vapor o de algún combustible extra. En general, se requieren 0.22 kg de vapor para evaporar un litro de agua. Las grandes desventajas de esta operación, además de las grandes cantidades de vapor utilizado, es que la vinaza concentrada obtenida tiene limitaciones de uso, dado que

comunes encontrados a nivel industrial para tratar vinazas tequileras. Por razones de confidencialidad industrial, los sistemas de tratamiento presentados aquí son llamados Caso A, B, C, D y E. Caso A: Es el sistema de tratamiento más utilizado por empresas micro y pequeñas para tratar vinazas tequileras. Desde un punto de vista técnico, el caso A, más que un sistema de tratamiento, se considera un sistema de pretratamiento o acondicionamiento de vinazas. Así, durante las etapas de enfriamiento y neutralización, sólo se logra bajar la temperatura por debajo de 40 °C y elevar el pH ≥ 5 utilizando regularmente cal comercial (Ca(OH)2). En esta segunda operación, también se logra eliminar considerablemente los SSed, sin embargo más del 90% de materia orgánica, representada por SS y SD, permanece sin eliminación ni transformación. 359

Capítulo 8


Caso B: Este sistema de pre-tratamiento es muy utilizado en empresas pequeñas y medianas para manejo de sus vinazas tequileras. Este sistema tiene la ventaja de que el 20% de vinaza, con acondicionamiento de pH y reducción de temperatura, es aprovechada en la elaboración de composta, básicamente para dotarla de humedad y nutrientes. Sin embargo, el 80% de volumen de vinaza es descargada bajo las mismas condiciones y desventajas que el Caso A. Caso C: Este sistema para tratar vinazas tequileras, es regularmente puesto en práctica por empresas pequeñas, medianas y particularmente por las que cuentan con suficiente espacio físico para construir la laguna de sedimentación y enfriamiento. Este sistema logra acondicionar el pH

utilizando cal, eliminar los SSed y reducir la temperatura a niveles ambientales con TRH grandes en la laguna; sin embargo, esta última sólo logra reducir el 30% de materia orgánica como DBO. Caso D: Este sistema de tratamiento ha sido implementado recientemente en por lo menos dos tequileras medianas y está integrado básicamente por un proceso fisicoquímico de coagulación-floculación, un proceso biológico de tipo aerobio y un proceso de oxidación avanzada este último basado en ozono. Este sistema de tratamiento logra remover la totalidad de SSed, más del 85% de la materia orgánica como DBO y DQO, además de que logra eliminar el color de la vinaza. Aún cuando no se tiene un valor preciso del costo unitario de tratamiento, éste se considera elevado.

Tabla 8.7. Sistemas de tratamiento para vinazas tequileras operando a escala industrial (Adaptado de López-López y col., 2010).

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos Caso E: Este sistema de tratamiento ha sido implementado en dos empresas tequileras, y promete ser uno de los técnicamente más viable, no así económico, para tratar vinazas. El sistema está integrado básicamente por un pre-tratamiento para eliminación de SSed y neutralización de pH; un proceso biológico de tipo anaerobio de elevada carga orgánica y finalmente un proceso aerobio. Este sistema logra remover más de 90% de materia orgánica como DBO; sin embargo no reduce más 90% de la DQO. El efluente tratado presenta color residual elevado. Sistemas Integrales Recomendados para el Tratamiento de Vinazas Tequileras Hasta ahora hemos visto una gama de operaciones y procesos unitarios en materia de tratamiento de vinaza, sin embargo, la digestión anaerobia pareciera ser el proceso más viable por sí solo y dentro de un sistema, desde un punto de vista técnico y económico para la degradación de la materia orgánica presente en los efluentes tequileros. Así la digestión anaerobia deberá ser el proceso fundamental, “el corazón” en el diseño e implementación de un sistema integral de tratamiento de vinazas tequileras. En este sentido, en la última parte de este apartado, se describen dos sistemas integrales de tratamiento, que con base técnica, resultados obtenidos a diferentes escalas y que a juicio de los autores son dos alternativas viables para tratar vinazas tequileras. En este sentido, Linerio (2002) propone un sistema de tratamiento integral como alternativa para la depuración de efluentes tequileros. El sistema propuesto agrupa tres etapas: un pretratamiento fisicoquímico, un tratamiento biológico y un post-tratamiento o pulido, para finalmente descargar las vinazas en el drenaje municipal o utilizarlas como agua de riego en terrenos de cultivo cercanos a la planta procesadora. La Figura 8.11 presenta un diagrama de bloques del sistema y las eficiencias de remoción de DQO y DBO logradas.

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Capítulo 8

Tratamiento fisicoquímico: La primera etapa es un tratamiento fisicoquímico de coagulaciónfloculación para acelerar la remoción de sólidos sedimentables y parte de suspendidos. Previamente, las vinazas son enfriadas 40 °C y neutralizadas a pH = 6.5. Se utiliza sulfato de aluminio (Al2(SO4)3.18H2O) como coagulante y polielectrólito marca PETROFLOC como floculante, el primero en dosis de 1-5 ppm y velocidad de agitación de 30 rpm durante 30 min.; el segundo en dosis de 0.5 a 1.5 ppm a una velocidad de agitación de no más de 15 rpm durante 30 min. Finalmente se detiene la agitación y se deja sedimentar durante 30 min. Logrando una reducción del 26% de DQO. Digestión anaerobia: Después, la segunda etapa en serie incluye un tratamiento biológico en un reactor UASB. Aparentemente, el principio de operación destaca por su sencillez; sin embargo, la complejidad del sustrato aunado a la ausencia de lodo granular de buena calidad hicieron necesaria la experimentación previa en laboratorio y pruebas piloto. Se determinó que se obtienen remociones mayores al 80% con TRH de 2 días y carga orgánica volumétrica máxima de 15 kg DQO/m3/ día. Conviene mencionar que se presentaron diversos problemas: acidificación del reactor, cambios en la estructura granular del lodo, acumulación de sólidos suspendidos de las vinazas en el lecho de lodos y formación de una capa de espuma en la superficie del reactor, entre otros. Estos hechos se habían presentado en el tratamiento de efluentes similares en casos como el que documentaron Ilangovan y Noyola (1993), en el que hubo acidificación de vinazas alcoholeras de ingenio por acumulación de AGVs, principalmente ácido propiónico, generado por el desbalance fisiológico del ecosistema microbiano en el reactor. La recomendación es la recirculación del efluente en una relación mínima 1:10, la cual dependerá del balance de alcalidad para lograr la estabilidad del sistema. Humedales: El tratamiento terciario se realizó en tinas (volumen 0.85 m3, área 2.72 m2 y 361

Capítulo 8


pendiente del 1.5%) en un arreglo de plantas libres flotantes, Eichhornia crassipes (lirio acuático), cuyo efluente se segmentó a dos lechos de raíces en paralelo, empacados con grava y arena de río, cada uno con un tipo de pasto (pará y vetiver), Panicum purpurascens y Vetiveria zizanioides. Las plantas se colectaron previamente en arroyos receptores de vinazas y adaptadas según la metodología reportada por Kreiner (1995). El arreglo más adecuado fue la combinación lirio + vetiver en serie, con entrada y salida promedio de DQO de 1446 mg/L y 199 mg/L, una demanda bioquímica de oxígeno entre 40 y 120 mg/L, con remociones globales de DBO y DQO del 99.70% y 99.66% respectivamente, valor que cumple las NOM-001-SEMARNAT-1996 y NOM-002-SEMARNAT-1996 de 200 mg/L para descarga en cuerpos receptores como ríos, lagos y el drenaje municipal.

industrial. Además, la vinaza se somete a una operación de centrifugación o filtración al vacío para eliminar sólidos sedimentables y una pequeña fracción de suspendidos, la remoción de DQO no será mayor del 15%. Sin embargo, eliminar estos sólidos garantiza un mejor desarrollo y operación del proceso anaerobio. Digestión anaerobia: La segunda etapa en serie incluye un tratamiento biológico en un reactor UASB diseñado con TRH de 2 a 4 días y variaciones de DQO en influente 30 a 60 g/L; la temperatura promedio del reactor será de 35 °C; la eficiencia de remoción de materia orgánica medida como DBO y DQO del proceso bajo estas condiciones de operación, es aproximadamente 85%.


Capítulo 8

vinazas, el objetivo principal es eliminar el color obscuro de la vinaza, asociado principalmente al concentración elevada de polifenoles; además de eliminar materia orgánica recalcitrantes (DQO) que los proceso biológicos precedentes (anaerobio y aerobio) no removieron. Las condiciones y características de aplicación de este proceso se encuentran protegidas en la Patente de CIATEJ (2013) denominada “Proceso para degradar compuestos recalcitrantes presentes en el agua”.

Sin embargo, su contenido de azúcares reductores totales, en la parte superior y en la base es de 16.1 y 13.1% respectivamente, esto las hace susceptibles de algún aprovechamiento (Íñiguez - Covarrubias y col., 2001a). Las hojas presentan de 90 a 120 cm de longitud y de 8 a 12 cm de ancho en promedio, y contienen fibras que van de 23 a 52 cm de largo y 0.6 a 13 mm de ancho. La fibra más fina tiene en promedio 1.6 mm de largo y 25 μm de ancho.

Este sistema completo tiene una eficiencia global de remoción de materia orgánica como DBO y DQO mayor del 95% y eliminación prácticamente total del color y posee viabilidad económica para empresas grandes y medianas.

Existen algunos estudios relacionados con el aprovechamiento de las pencas de agave, como la utilización de sus fibras, que al someterlas a un proceso de pulpeo alcalino se pueden formar manualmente hojas de papel de prueba. Estas hojas presentaron

Figura 8.12. Sistema combinado fisicoquímico y biológico para el tratamiento de vinazas y eficiencias de remoción de los principales contaminantes.

Figura 8.11. Balance de materia orgánica (DBO y DQO) del sistema de tratamiento de vinazas tequileras (Linerio, 2002).

Otra alternativa para el tratamiento de vinazas tequileras técnicamente viable es la que propuso López-López (2015), representada de manera general en la Figura 8.12. El sistema está básicamente integrado por un proceso anaerobio, aerobio y un proceso avanzado. Pretratamiento: Esta etapa tiene como objetivo enfriar la vinaza a 40 °C y neutralizarla a un pH ≈ 6.5, la neutralización se puede hacer utilizando NaOH si es a nivel laboratorio o piloto y cal comercial Ca(OH)2 si la operación se realiza a nivel 362

Proceso aerobio, este proceso se establece bajo condiciones de aireación extendida, TRH de 18 a 36 h y concentración de SSV en el reactor de 3,000 a 6,000 mg/L. Se recomienda instalar difusores de elevada transferencia de oxígeno, sopladores con potencia suficiente para mantener el nivel de oxígeno en el reactor en el orden 2 mg/L. Se debe considerar un el diseño eficiente de un clarificador con cargas para eliminar la mayor cantidad de sólidos suspendidos. Proceso avanzado: El proceso avanzado se aplica como última etapa al tratamiento, de

Aprovechamiento de los Residuos Sólidos Generados: Pencas y Bagazo de Agave Pencas de Agave (Hojas)

Dentro de la cadena agave-tequila los primeros residuos sólidos que se generan en la producción son las hojas del rosetón de agave, que permanecen en el campo al cosechar las piñas o cabezas. Del porcentaje aprovechable de la planta, la piña representa únicamente el 54% del peso húmedo; del resto, el 32% se pueden utilizar por los azúcares y la fibra, y el 14% correspondiente a las hojas que aparentemente no tiene utilidad.

un índice de longitud de ruptura similar a las fibras de pino y eucalipto, pero sus índices de rasgado y explosión (burst) fueron más bajos que los otros dos papeles (Íñiguez - Covarrubias y col., 2001a). Negrete et al. (2010) evaluaron diferentes hojas (pencas) de agave para la elaboración de papel, entre ellos el Agave tequilana. Estos autores encontraron que el papel producido con las hojas y tallos de Agave tequilana fue calificado como regular en su flexibilidad, suavidad al tacto, densidad y absorción de tintas. Otros reportes indicaron que es posible extraer Fructoligasacaridos (FOSs) a partir de las hojas del Agave tequilana con un grado de polimerización de 3-8 (Praznik y col., 2013). Estos FOS son utilizados para 363

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la formulación de alimentos nutracéuticos bajos en calorías. Además, Whitney-Gordon y col. (2002) patentaron un proceso para mejorar el proceso de producción de tequila, extrayendo azúcares fermentables de las hojas o pencas, con un previo tratamiento para eliminar ceras y otros compuestos que afectan el proceso y el producto final. Con esto lograron aumentar en más del 10% el rendimiento de la planta. Este autor también mencionó que existe una patente estadounidense –U.S. Pat. No. 3,895,999sobre un proceso para obtener sapogeninas crudas de hojas de agave mediante un proceso por etapas. Las sapogeninas son compuestos obtenidos de la hidrólisis de las saponinas, y son de gran interés en la industria farmacéutica por ser precursores de hormonas y corticoides. Fibra o Bagazo de Agave Otro de los principales residuos sólidos que se generan en la elaboración del tequila es la fibra o bagazo de agave que se produce durante las extracciones del jugo de las piñas de agave cocidas, enteras o en trozos (Figura 8.13). Se estima que el 40% del peso total del agave corresponde al bagazo residual (Iñiguez y col., 2005), y por cada litro de tequila producido se generan 1.4 kg de bagazo húmedo (60% humedad promedio) CRT, 2008. Una sola fábrica con producción de 30,000 Litros de tequila/día puede producir hasta 30 toneladas de bagazo por día (Cedeño, 1995). La composición promedio del bagazo de agave se muestra en la Tabla 8.8.

Figura 8.13. Bagazo de agave (Agave tequilana Weber var. Azul) generado en la producción de tequila. - Foto: Ernesto Rodríguez

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Tabla 8.8. Composición promedio del bagazo de agave (Cedeño, 1995; Iñiguez y col., 2005).

Los materiales lignocelulósicos tienen una relación aproximada de 4:3:3 en contenido de celulosa, lignina y hemicelulosa variando sensiblemente según las diferentes especies (Oggiano y col., 1997). Al igual que otros tejidos vegetales, el bagazo de agave contiene entre un 15% y 20% de lignina (Iñiguez y col., 2005). La madera y otros tejidos vasculares contienen alrededor del 20-30% de lignina (Lin y Dence, 1992). La mayor parte de esta lignina se encuentra dentro de las paredes celulares, entremezclada con las hemicelulosas y formando una matriz que rodea microfibrillas ordenadas de celulosa. (Figura 8.14).

Figura 8.14. Representación esquemática de la pared celular vegetal a cuatro niveles, aumentando de a hacia e. a) Corte transversal de una fibra de madera mostrando la lámina media y la pared celular primaria y secundaria. b) Sección transversal de una porción de la pared secundaria con macrofibrillas. c) Un manojo de microfibrillas. d) Los filamentos micelares. e) Corte transversal de una micela, mostrando la composición ultraestructural: la lignina, hemicelulosa y celulosa. El espacio entre las fibras vegetales (lámina media), macrofibrillas, microfibrillas y los filamentos micelares está ocupado por lignina (Hüttermann y col., 2001; Dávila y Vázquez-Duhalt, 2006).

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos La función de la lignina es proveer de rigidez a las plantas y tejidos vegetales, al actuar como pegamento entre las fibras de celulosa formando un lámina media (Kirk y Farrell, 1987). Además, de proteger a los carbohidratos fácilmente degradables (celulosa, hemicelulosa) de la hidrólisis enzimática microbiana (Fritsche y Hofrichter, 2000). Esta composición y su arreglo estructural hacen que el bagazo sea un compuesto recalcitrante y su biodegradación no sea fácil. Diferentes Usos y Aprovechamiento del Bagazo de Agave En 2013 se consumieron 757 miles de toneladas de agave para producir tequila (CRT, 2013), considerando que el 40%

Capítulo 8

del peso de agave se convierte en bagazo residual, se estima que paralelamente se generaron aproximadamente 303 miles de toneladas de bagazo de agave. Debido a esta gran cantidad de bagazo generado anualmente por las industrias del tequila, hasta el momento una parte del bagazo se convierte a composta y otra parte se mantiene sin ninguna tecnología de disposición final adecuada. Diversos procesos se han propuesto para evaluar los posibles usos del bagazo de agave, por el potencial que tiene en su aprovechamiento ante los diferentes usos y subproductos que se pueden obtener (Figura 8.15). Dentro de los que se pueden clasificar en dos tipos: A) sin pretratamiento y, B) con pre-tratamiento ya sea físico, químico y/o biológico.

Figura 8.15. Aprovechamiento, usos actuales y potenciales del bagazo de agave (modificado de Howard y col., 2003).

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A) Sin Pre-tratamiento Usos Actuales Tradicionalmente, las prácticas de manejo y disposición más comunes para el bagazo son: usarlo como combustible, como material de relleno en la elaboración de colchones y de asientos de vehículos automotores, en la manufactura de ladrillos, en la producción de macetas, como aglomerado en la fabricación de láminas para construcción o muebles, y más comúnmente sólo depositarlo o quemarlo en terrenos cercanos a la empresa, lo que deriva en otro tipo de contaminación, del suelo y de la atmosfera (Figura 8.16).

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comestibles del género Pleurotus sp. Estos investigadores reportaron como parámetro de productividad la eficiencia biológica, que fue de 96.4% p/p (en base a kg de hongo fresco/kg de substrato seco). Este rendimiento fue ligeramente superior a las que se obtienen con pajas de cebada y trigo (95 y 90%, respectivamente). Las mayores eficiencias reportadas fluctúan alrededor de 190% utilizando paja de amaranto y pulpa de café fermentada. B) Con Pre-tratamiento Producción de Bioetanol La producción de bioetanol, a partir de materiales lignino-celulósicos ha ido

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Figura 8.16. a) Producción de macetas con bagazo; b) Depósito de bagazo de agave (Foto: José de Anda); c) producción de material laminado para construcción; d) Uso de bagazo en mezcla para fabricación de ladrillos (Foto: Silvia Maribel Contreras).

Producción de Hongos Comestibles Otra alternativa de aprovechamiento del bagazo de agave tequilero, es la reportada por Padilla y Guzmán (1995) para la producción de hongos 366

en aumento en los últimos años, por su utilización como un sustituto del combustible líquido derivado del petróleo, (Rabinovich, 2006). En México se ha utilizado el bagazo


Capítulo 8

de caña (13.6 millones de ton por año), que al procesarlo mediante sacarificación y fermentación con microorganismos produce bioetanol (González-César, 2002). Las destilerías en México (a partir de caña de azúcar) sólo producen 53 millones de litros de etanol al año, lo equivalente a 5 semanas de consumo potencial de biocombustibles en la Ciudad de México (HernándezSalas y col., 2009). Por este motivo, se han buscado fuentes alternativas para producir bioetanol, siendo los materiales de residuos agroindustriales como el bagazo de agave los de especial interés. El tratamiento de hidrolisis (sacarificación) de los residuos lignocelulósicos con ácidos, álcalis o enzimas puede liberar azúcares fermentables como son la glucosa, manosa y xilosa, donde la concentración y composición dependerá del tipo de procedimiento (Neureiter y col., 2002). Estos azúcares pueden ser fermentados por algunas levaduras y bacterias fermentativas o ácido lácticas para producir etanol.

Estos son sólo algunos reportes de la conversión de bagazo a etanol, lo cual lleva un proceso de sacarificación y después la fermentación de los azucares obtenidos, donde el rendimiento está en función del proceso empleado (pretratamiento ácido, alcalino, enzimático etc.), del rendimiento que se obtenga de azúcares fermentables y de los microorganismos que se utilicen para la fermentación en la producción de alcohol. Quizás una de las mayores limitantes de este proceso de conversión de biomasa ligninocelulolítica a etanol es la formación de compuestos inhibitorios durante la fermentación de los azúcares del bagazo tales como los furfurales, ya que estos inhiben la formación de alcohol. Lo que sí es claro, es, que el bagazo de agave es un material con potencial para la producción de bioetanol que debería ser utilizado a gran escala.

Son pocos los estudios para la producción de bioetanol a partir de bagazo de agave que se pueden encontrar. Un trabajo de Hernández-Salas y col. (2009) reportó la producción de bioetanol a partir de bagazo de Agave atrovirens (maguey), por medio de hidrólisis alcalino-enzimáticas, con un rendimiento de etanol del 33%. Mientras que para bagazo de agave de tequila se ha reportado concentraciones máximas de etanol de 21.4 y 40.5 g/L de azúcares fermentables, que sería del 95-98% del rendimiento teórico (Caspeta y col, 2014). Otro trabajo con bagazo de tequila reportó 9.99 g etanol/50 g de bagazo correspondiente a un 56.75% del rendimiento teórico (w/w) (Saucedo-Luna y col, 2011).

El xilitol es un azúcar polialcohol que se encuentra en la naturaleza en frutas, bayas y vegetales. El xilitol que se comercializa actualmente es obtenido de hemicelulosas de productos forestales y agrícolas, estos materiales tienen un alto contenido de xilosa del cual se puede derivar el xilitol y furfural por métodos químicos o biológicos. Tiene un dulzor igual al de la sacarosa (azúcar), es dos veces más dulce que el sorbitol y casi tres veces más dulce que el manitol, estos últimos son comúnmente utilizados como sustitutos del azúcar (Nápoles-Solenza y col., 2005). El xilitol es utilizado en alimentos como edulcorante, aplicado en odontología para tratamientos de remineralización de los dientes y como un agente antimicrobiano, así como en formulaciones de pastas dentales y gomas de mascar (Roberto y col., 2003). El furfural en cambio es utilizado en la industria de manufactura de plásticos de furfuraldehído, en barnices y pesticidas (Montané y col., 2002).

Los más reportado es para bagazo de azúcar de caña, donde se han reportado rendimientos de etanol hasta de 8.11 g/L de azucares fermentables obtenidos de bagazo de caña, lo cual corresponde a un 91.8% del rendimiento teórico (Velmurugan y Muthukumar, 2011).

Obtención de Xilitol y Furfural

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Capítulo 8


Ambos compuestos, el xilitol y furfural son obtenidos por medios químicos y tienen rendimientos alrededor del 50-60%, siendo costoso su proceso de obtención. Por tal motivo, varios métodos de bioconversión se están explorando para la producción de xilitol y furfural a partir de diferentes residuos y materiales lignocelulósicos, utilizando microorganismos o sus enzimas (Montané y col., 2002; Roberto y col., 2003), condiciones ácidas y de temperatura (Rackemann y col, 2014), entre otras más combinaciones. Por ejemplo, NápolesSolenza y col. (2005) probaron un proceso de producción de xilosa a partir de bagazo de caña, por sacarificación o hidrólisis ácida, obteniendo de 20-23 g /L de xilosa hidrolizada. Aunque el proceso de obtención de xilosa está muy establecido, en la optimización y en tratar de aumentar los rendimientos, también se presenta el inconveniente de aumentar el furfural y el ácido acético remanentes en el proceso. Estos compuestos actúan como inhibidores del crecimiento microbiano en la subsecuente etapa de convertir la xilosa a xilitol (Roberto y col., 2003; NápolesSolenza y col., 2005). Por lo tanto, la obtención de xilosa, xilitol o furfural ha sido motivo de muchas investigaciones y de una búsqueda constante de otros residuos como materia prima, entre ellos el bagazo de agave, y sobre todo de nuevos microorganismos capaces de convertir xilosa a xilitol aun en presencia de inhibidores como el furfural (Martín y col, 2007). Producción de Biofertilizantes (Composta) Una práctica común de diversas empresas consiste en elaborar biofertilizantes, con el proceso de composteo o degradación biológica controlada (fermentación sólida) de la mezcla de bagazo de agave manejado como “marrana”, y los sólidos sedimentados de los residuos de la destilación, comúnmente 368

conocidos como “marranilla”, y regando las pilas de composta con vinazas (Figura 8.17a). Esta mezcla se deja en promedio de 3-6 meses para su degradación. Sin embargo, no se han reportado datos de la calidad de la composta ni de su efecto en el rendimiento de cultivos cuando se utiliza en las prácticas agrícolas. El uso de bagazo (caña, agave) ha sido probado por composteo mezclándolo con diferentes materiales como son las vinazas, sólidos del proceso del tequila y otros residuos de curtiduría (intestinos, piel y material de descarne), encontrando que es una buena alternativa para la utilización de este desecho (Iñiguez y col., 2003; Iñiguez y col., 2005). Sin embargo, es poco atractivo por el tiempo que lleva el proceso, que usualmente es entre 3-6 meses. Y a pesar de esto, actualmente se puede encontrar comercialmente composta de agave como material de jardinería (Figura 8.17b). Lo cual indica que se produce composta de agave y se comercializa a gran escala.

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Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos permite reducir los tiempos del proceso de composteo (Sen y Chandra, 2007), pues una lombriz adulta consume de residuos lo equivalente a su propio peso en un día. De tal manera que pueden optimizarse tanto la densidad de población de lombrices, las mezclas y las condiciones para maximizar su consumo de residuos, reduciendo el tiempo de proceso. Otros autor combinó el proceso de composteo y vermicomposteo con un pre-tratamiento con el hongo de pudrición blanca Bjerkandera adusta para acelerar el proceso de degradación (MoranSalazar, 2013). Este autor encontró que el pretratamiento redujo el tiempo de proceso a 3 meses comparado con un proceso de composteo tradicional que dura de 6-7 meses. Además de que con la adición del vermicomposteo obtuvo un producto maduro y estable para poderse aplicar como abono orgánico. El potencial que tiene el bagazo de agave para la producción de biofertilizantes es muy grande por la recirculación de nutrientes a los propios cultivos de agave. Actualmente, algunas empresas tequileras están tratando de cambiar el proceso de composteo de bagazo a un proceso de vermicomposteo para reducir los tiempos y dar un manejo a los residuos de agave. Producción como Alimento para Animales

Figura 8.17. a) Sistema de pilas de composteo y riego de vinazas en la tequilera “La Madrileña”, b) Composta comercial producida a partir de bagazo de agave.

Otro proceso biotecnológico utilizado para el aprovechamiento del bagazo, es el vermicomposteo. En este proceso se utilizan lombrices que son capaces de convertir estos desechos a vermicomposta, conocido como humus de lombriz, el cual contiene nutrientes disponibles para las plantas y microorganismos benéficos para el suelo. Utilizar el proceso de vermicomposteo

Un primer trabajo de Covarrubias y col. (1997), reportó el pretratamiento de deslignificación para el bagazo, esto mejoró la digestibilidad de la materia seca, fibras ácido detergente y fibra neutro detergente hasta 51%, 98% y 69% respectivamente. Los autores realizaron pruebas de digestibilidad del bagazo de agave al utilizarlo como alimento en rumiantes, y determinaron que la lignina asociada a la fibra y el arreglo cristalino de la celulosa limitó la digestión del bagazo en los animales.

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Posteriormente Iñiguez-Covarrubias y col. (2001b) obtuvieron diferentes fracciones del bagazo de agave por separaron mecánica y lo incorporaron parcialmente en la dieta de ovejas. Ellos encontraron que no hubo diferencia en el peso ganado de los animales al compararlos con animales alimentados con rastrojo de maíz. Demostrando así, que el bagazo de agave con un pretratamiento puede utilizarse como alimento para animales (rumiantes). Sin embargo es necesario aumentar la digestibilidad de las fibras del bagazo para incluirlo en formulaciones de alimentos para ganado. Producción de Papel Debido a que al porcentaje de celulosa y lignina en el bagazo son considerables, se han realizado ensayos de deslignificación con peróxido de hidrógeno (H2O2) en condiciones alcalinas (PH-A), para tratar de obtener cartón y pulpa de papel. Un primer intento fue realizado por Covarrubias y col. (1997), al utilizar el tratamiento de deslignificación (PH-A) para el bagazo. Sin embargo, el papel obtenido con esta fibra no fue de buena calidad por su baja resistencia. Este tratamiento tuvo el inconveniente de tener un costo elevado, por lo que se recomendó la separación mecánica del material. Idarraga y col. (1999) sometieron los residuos de agave a diversos tratamientos químicos y biomecánicos de pulpeo kraft (utilización de hidróxido de sodio y sulfuro sódico), alcohol-alcalino y alcalino. Por un lado, encontraron que el pulpeo kraft fue el que presentó mejores características de fuerza, pero de calidad inferior a pulpas de madera y de otros residuos agrícolas, resultado en un papel bond de calidad pobre pero con dureza relativamente alta. Por otro lado, en los ensayos biomecánicos primero realizaron un tratamiento biológico con el hongo Cariopsis subvermispora, esto 369

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disminuyó el consumo energético en el tratamiento mecánico y originó una pulpa con menor calidad de fuerza. Este trabajo concluyó que la pulpa del bagazo de agave fue adecuada al mezclarla con pulpas kraft de maderas suaves para obtener papel de grado publicación. Obtención de Compuestos Fenólicos Algunos compuestos fenólicos de bajo peso molecular han sido obtenidos de diferentes materiales lignocelulósicos. Estos compuestos son liberados por pretratamientos físicos, químicos o biológicos (enzimáticos), entre los que se han reportado encontramos los siguientes: guayacol, alcohol coniferílico, alcohol vainillínico, metoximetil fenol, metoxi-p-cresol, ácido ferúlico, ácido gálico, ácido hidróxibenzoico, alcohol cumarílico, ácido cumárico, syringaldehído, hidrozibenzaldehídos y benzilfenoles, por mencionar algunos La vainillina y el ácido gálico son los de especial interés ya que actualmente se producen por síntesis química a costos elevados. La vainillina ( 4 - H i d ro x i - 3 - m e to x i b e n z a l d e h i d o ) es utilizada en la industria de alimentos como saborizante, en la industria química como precursor de productos herbicidas y antiespumantes; en la industria farmacéutica para la producción de fármacos como la Papaverina (1-[(3,4-dimetoxifenil)-metil]6,7-dimetoxi-isoquinolina) y el L-DOPA (3-4-dihidroxifenilalanina), este último utilizado en el tratamiento del mal de Parkinson (Walton y col., 2003). El ácido gálico (2, 4, 5,-trihidroxibenzoico) es uno de los precursores de algunos antibióticos como el Trimetroprim, o precursor para producir oxidantes utilizados en alimentos, tintas y colorantes en la fotografía y manufactura de papel (González-García y col., 2005). Además,algunosinvestigadoreshanpropuesto obtener ácido salicílico y compuestos aromáticos de bajo peso molecular a partir de residuos lignocelulósicos (Pérez y col., 2002; Boudet y col., 2003). Ribnicky y col., (1998) sugiere que el ácido salicílico se 370

puede formar a partir de compuestos de la hidrólisis de la lignina como son: el ácido cumárico, algunos benzaldehídos y otros ácidos hidrobenzoícos. Todos estos autores con sus investigaciones sitúan al bagazo de agave por su composición química (al contener lignina) como una fuente para obtener compuestos aromáticos de bajo peso molecular derivados a partir de la lignina, con algún pretratamiento químico, biológico o enzimático. Sin embargo, la producción de compuestos fenólicos a partir de bagazo o de lignina de otros residuos lignocelulósicos está aún en desarrollo. Utilización como Material SorbenteConversión a Carbón Activado El carbón activado es un material ampliamente utilizado en aplicaciones ambientales (tratamiento de aguas residuales, filtros de gas y remoción de contaminantes en líquidos y gases), entre otros. El carbón activado tiene ventaja sobre otros materiales adsorbentes al obtenerse de una variedad de materiales de tipo carbonáceo, incluyendo desechos de procesos industriales, como es el caso del bagazo. La producción de carbón activado a partir de bagazo (de caña) se ha realizado a través de pirolisis (carbonización) y activación por métodos físicos o químicos, como son la impregnación de KOH o NaOH, H3PO4, ZnCl2 seguido de calentamiento a altas temperaturas (600-900 ºC) (Kalderis y col., 2008). Con lo que se han logrado obtener importantes áreas superficiales entre 10141413 m2/g y eficiencias de remoción para algunos metales como el plomo (Pb) hasta del 90% (Ayyappan y col., 2005). El carbón activado puede encontrase comercialmente con un área superficial de 600-1200 m2/g, aunque hay productos obtenidos a partir de materiales lignocelulósicos que han sido reportados con valores de > 2000 m2/g, teniendo con esto un gran

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos potencial en diferentes industrias y aplicaciones (Amaya y col., 2007). Diferentes investigaciones han concluido que a mayor temperatura, el área superficial es mayor, sin embargo, esta tecnología aún se encuentra en estudio y optimización, así como en busca de nuevos materiales que puedan ser convertidos a carbón activado. Nieto-Delgado y col (2011) evaluaron la producción de carbón activado a partir de bagazo de agave de tequila y mezcal por activación química, encontrando que se puede producir carbón activado con volúmenes de microporos entre 0.24 y 1.2 cm3/g un área superficial desde 3002139 m2/g. Esta área superficial ya lo sitúa por arriba de los que ofrecen los carbones activados comerciales, demostrando la factibilidad técnica y funcional del bagaso de agave como materia prima para producir carbón activado. Por otro lado, recientemente se ha buscado utilizar el bagazo pirolizado como material de combustión comercial, haciendo más eficiente su poder calorífico, ya que este residuo puede utilizarse en las propias calderas de las fábricas de tequila o en otras industrias. Al respecto, Chavez-Guerrero e Hinojosa (2010) reportaron que el bagazo de agave pirolizado (Agave salmiana) tuvo un mayor poder calorífico (19.36 MJ/ kg) que el bagazo sin pirolizar (9.55 MJ/ kg). Además estos autores observaron que el bagazo pirolizado mostro presencia de diferentes grupos de alcohol, lo cual incrementó el calor de combustión. Esta alternativa es muy atractiva para darle un uso al bagazo de agave dentro de las propias fabricas de tequila, sin embargo conlleva también la emisión de gases y cenizas durante la combustión, los cuales también deben ser considerados. Otro reporte reciente, probo el potencial de utilizar bagazo de agave de tequila para la producción de películas de hidrogeles

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(Tovar-Carrillo y col, 2014). Los hidrogeles son materiales poliméricos que tienen gran capacidad de absorción de agua pero son insolubles en ella, sólo se hinchan y aumentan su volumen manteniendo su forma con características blandas y elásticas. Estos hidrogeles se utilizan mucho en la ingeniería de tejidos, donde se busca tener polímeros de origen natural para minimizar el riesgo de citocompatibilidad, como en los cultivo de fibroblastos. Tovar-Carrillo y col. (2014) evaluaron las características de una película de hidrogel obtenido de fibras de agave de tequila y encontraron que los hidrogeles tuvieron mayor adhesión celular de fibroplastos al comprarlos con un control. Estos hallazgos indican un potencial mayor del bagazo de agave cuando se transforma como materia prima en otro proceso, por tal motivo, es necesario buscar el aprovechamiento del bagazo de agave en esta aplicación. Obtención de Biopolímeros Existen diferentes microorganismos capaces de degradar celulosa y algunos compuestos derivados, para producir biopolímeros que resultan de interés comercial, como la melanina y los polihidroxialcanoatos (PHA) como el poli3-hidroxibutirato (PHB), que están en vías de explotación en diferentes países. Los polihidroxialcanoatos formados por bacterias son biopolímeros que han ganado importancia por sus características análogas a los plásticos y su diversidad estructural, así como a su biodegradabilidad que los hace extremadamente deseables como sustitutos de los plásticos sintéticos. Estos biopolímeros son almacenados como material de reserva, es decir como fuente de carbono y energía en los microorganismos. Pueden ser producidos por fermentación, obteniéndose diferentes polímeros 371

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variando la cepa microbiana, el sustrato y el co-sustratos (Reddy y col., 2003).

simplemente para disponerlos en lugares alejados de la empresa.

Las bacterias más estudiadas por producir este tipo de polímeros han sido Alcaligenes eutrophus y Pseudomona oleovorans. Sin embargo, bacterias como Microbulbifer degradans están siendo estudiadas, por su habilidad de acumular polihidroxialcanoatos y por tener la capacidad de degradar la celulosa (Reddy y col., 2003). Otro ejemplo es la bacteria Saggittula stellata que tiene la habilidad de utilizar lignina y compuestos aromáticos derivados de ésta como fuente de carbono y acumular polihidroxibutirato (PHB) (Gonzalez y col., 1997).

Con el aumento del número de empresas productoras o que las actuales eleven sus volúmenes de producción, el aprovechamiento y la utilización del bagazo, deben verse como una alternativa para obtener subproductos y no como un desecho que represente un costo.

Así, el bagazo de agave no es un sustrato difícil de degradar por microorganismos de este tipo, con la finalidad de producir polihidroxialcanoatos (PHA) (bioplásticos), que están siendo de gran interés industrial a nivel mundial. Tal como fue demostrado por Muñoz y Riley, (2008) quienes utilizaron bagazo de agave de tequila para producir (PHA) con la bacteria Saccharophagus degradans, encontrando que este organismo acumula PHA cuando crece en medio mínimo conteniendo bagazo de agave. La producción de PHA con diferentes microorganismos y residuos está siendo muy estudiada, donde reportes con hidrolizados de bagazo de caña obtienen concentraciones máximas de PHA 2.13.9 g/kg medio (Castilho y col, 2009). Sin embargo, esta tecnología está en desarrollo y la optimización y factibilidad a gran escala aún debe ser demostrada. Aunque en la actualidad la fibra de agave no representa un problema serio de contaminación, sí afecta el entorno donde se deposita o quema. Las empresas para deshacerse del bagazo tienen que pagar o contratar empresas que se lleven dichos residuos, ya sea para darle un uso, o 372

Sin embargo, aún con los diversos estudios que se han realizado sobre el aprovechamiento de las hojas (pencas) y la fibra de agave (bagazo), y que muchos de ellos sean exitosos, son insuficientes o bien los procesos para su utilización no se han optimizado para tratar la generación anual del bagazo de agave. Así, el bagazo de agave y las hojas todavía se consideran una veta por explorar, para obtener productos de mayor valor agregado y de amplio uso comercial, contribuyendo a reducir los problemas de contaminación. Perspectivas La alternativa predominante para el tratamiento de vinazas es el proceso biológico de tipo anaerobio como la etapa principal que logra una mayor remoción de materia orgánica, con la variante del tipo de reactor. Este proceso en combinación con otros procesos y operaciones unitarios convencionales dan como resultado mayor eficiencia de remoción. Además de procesos innovadores como etapa de pre y pos-tratamiento para eliminar compuestos recalcitrantes y colorantes, tal es el caso de la aplicación de ozono, o el proceso de digestión anaerobia truncada para la producción de hidrógeno. Las empresas tequileras grandes y algunas medianas, han comprometido recursos financieros importantes en proyectos para tratamiento de bagazo y vinazas que se

Tratamiento de Efluentes y Aprovechamiento de Residuos encuentran en diferente grado de avance. Por la complejidad técnica que representa el tratamiento de las vinazas, las plantas de tratamiento que se encuentran en operación no han sido técnicamente eficientes para cumplir la normatividad vigente. Por tal motivo, los esfuerzos para mejorar los sistemas de tratamiento continúan. En el caso de las empresas medianas, pequeñas y micros, estas se enfrentan a la limitante de recursos financieros para invertir en el tratamiento de sus residuos. Ante esta situación, sigue siendo un reto tecnológico el desarrollo de un proceso técnico y económicamente viable para el tratamiento de vinazas, orientado a las necesidades técnicas y restricciones financieras en las que operan las empresas tequileras pequeñas y micros. Por otro lado, muchas tecnologías se han desarrollado para el aprovechamiento de bagazo de caña, sin embargo no todas se han probado para el tratamiento y aprovechamiento del bagazo de agave, aún cuando han resultado atractivas y técnicamente viables a nivel laboratorio. Sin embargo, es necesario implementar los procesos a gran escala con el objetivo de buscar su rentabilidad y hacerlos más atractivos, generando productos con valor agregado y/o de importancia comercial. Actualmente, los esfuerzos de los investigadores, empresarios y autoridades ambientales, se deben orientar a desarrollar y a apoyar procesos para el tratamiento y disposición de vinazas y bagazo buscando, además de cumplir la normatividad ambiental, un manejo sustentable de los recursos naturales que la sociedad y el ambiente requieren, para mitigar los impactos ambientales ocasionados por este sector industrial.

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