Optimización de la producción de etanol a partir de vinazas de cervecería como estrategia para disminuir la carga orgánica de los efluentes

LISANDRO G. SELUY; MARÍA C. GORÓ

Corrientes

Jornada; XXI Jornadas de Jóvenes Investigadores de AUGM; 2013

Uno de los mayores retos para la sociedad en el siglo XXI, es satisfacer la creciente demanda de energía para el transporte, la calefacción y los procesos industriales; como así también la materia prima para la industria de una manera sostenible. En este marco el cambio en el suministro de energía de combustibles fósiles a combustibles alternativos se presenta como uno de los principales desafíos. La producción de bioetanol ha tomado gran impulso en las últimas décadas. Un ejemplo se da por el programa de etanol de caña en Brasil. Además, en comparación con otras energías alternativas, como la proporcionada por el hidrógeno, el reemplazo de parte de los combustibles fósiles por bioetanol en el sector de transporte puede ser realizado con menores costos. En la República Argentina, la sanción de la Ley 26.093 y su Decreto Reglamentario 109/2007, establecen que todo combustible caracterizado como nafta deberá ser mezclado con un porcentaje del 5% de bioetanol a partir del año 2010. Por el momento, debido a que la industria azucarera no pudo realizar las reformas técnicas necesarias para abastecer el mercado interno, se aceptó un corte del 2%. Producir bioetanol a partir de caña requiere un incremento del área sembrada, aumentando la demanda de recursos naturales y la competencia por la tierra; por lo que producir bioetanol a partir de fuentes alternativas, como efluentes industriales, se presenta como una opción importante. El sector cervecero ocupa una posición central en las industrias alimenticias. Por cada litro de cerveza envasada se producen de 6 a 8 L de efluentes líquidos. Algunos efluentes de alta carga orgánica, que contienen levaduras y un 4-7 % v/v etanol, son comercializados para la producción de alimentos balanceados, pero cuando esto no ocurre, ocasionan una importante sobrecarga en los sistemas de tratamiento. El etanol contenido en estos efluentes puede ser separado por destilación, obteniendo un producto con valor agregado y disminuyendo la carga orgánica de éstas corrientes. Esta operación deja una vinaza con una Demanda Química de Oxígeno (DQO) remanente que puede alcanzar valores de 80000 mg O2/L, y que contiene además los carbohidratos remanentes del proceso de producción de cerveza, 29,8 ± 4,2 g/L, principalmente dextrinas. Ese contenido de azúcares permite visualizar estas vinazas como una fuente alternativa para producir etanol, aumentando así el volumen de producto que puede ser recuperado a partir de estos efluentes. En el presente trabajo se optimizaron las condiciones de hidrólisis ácida de los carbohidratos presentes en las vinazas; se evaluó el efecto de ajustar el pH con diferentes hidróxidos y se optimizaron las concentraciones de sales minerales para maximizar la producción de etanol a partir de las vinazas y minimizar la DQO remanente en lo efluentes. Los ensayos de hidrólisis se realizaron en baño a 100ºC. Las variables estudiadas fueron el tiempo de hidrólisis (0-300 min), la concentración de carbohidratos iniciales (20-200 g/L) y la relación g ácido/ g azúcar (0,1-0,5). Cuando fue necesario las vinazas se concentraron por evaporación parcial del agua a 60ºC. La variable a maximizar fue el porcentaje azúcares totales convertidos a reductores. Para evaluar el efecto de los diferentes hidróxidos, al final de la hidrólisis el medio se separo en alícuotas y se ajusto el pH a 5 con NaOH, KOH, Ca(OH)2 y NH4OH. El precipitado formado en todos los casos se separó centrifugando 10 min a 3500 rpm. Para los ensayos de fermentación alcohólica se utilizó la levadura Saccharomices cerevisiae var. Windsor, obtenida en forma comercial, y conservada en medio YPG (2g/L peptona de carne, 3 g/L extracto de levaduras y 20 g/L glucosa). Para inocular las experiencias, las levaduras se cultivaron 12-18 h en medio YPG, se cosecharon por centrifugación 5 min a 3500 rpm y se resuspendieron en un pequeño volumen de medio a estudiar de manera obtener 2 g/L de levaduras al inicio de cada fermentación. Los ensayos se realizaron en reactores de 500 mL, y una vez inoculados (tiempo inicial) se tomaron muestras cada 90 minutos, a las cuales se les determinó la concentración de azúcares reductores, biomasa y etanol. El contenido de azúcares reductores se determinó a través de la técnica espectrofotométrica de Miller, el contenido de etanol utilizando un sensor de dióxido de estaño Fígaro TGS 822, el cual varía su resistencia en forma proporcional a la concentración de etanol y el contenido de biomasa determinando su densidad óptica a 600 nm, calibrando previamente a través de la técnica de sólidos suspendidos. Se analizó la influencia de suplementar las vinazas con diferentes sales minerales ((NH4)2HPO4; MgSO4; ZnSO4, FeSO4, MnSO4; CuSO4). Para el diseño de los experimentos y el análisis estadístico de los resultados se utilizó el software estadístico SthatGraphics. Se obtuvo un valor máximo para el porcentaje de hidrólisis, permitiendo que el 96 % de los azúcares totales pasen a reductores. Las levaduras utilizadas no fueron capaces de utilizar los carbohidratos presentes en las vinazas sin hidrolizar. En cambio en las vinazas hidrolizadas el consumo de azúcares fue del 85 % con un rendimiento en etanol de 0,44 g et/g az para la vinaza neutralizada con NaOH; 84,5% y 0,498 g et/g az para la neutralizada con KOH; 89,3 % y 0,3 g et/g az para la neutralizada con Ca(OH)2; y 82,0% y 0,437 g et / g az para la neutralizada con NH4OH. De las sales estudiadas, solo el grupo formado por ZnSO4, FeSO4, MnSO4; CuSO4 tuvo un pequeño efecto positivo en los rendimientos en etanol en vinazas neutralizadas con CaOH. El proceso de producción de etanol y su posterior destilación permitió reducir la carga orgánica de estos efluentes hasta en un 93 % obteniendo un producto con alto valor agregado como bioetanol.