ARTÍCULO ORIGINAL

Integración energética y ambiental de las fábricas de subproductos de la caña de azúcar

MSc. Dania Alonso-Estrada^{I  *} 

Dr.C. Manuel Díaz-de los Ríos^I 

Mr. Dongrui Zhan^II 

Ms. Jinghai Jian^II 

Ms. Qi Zhang^II 

Ms. Saihua Wang^II 

^ICuban Research Institute of Sugar Cane By-products, Havana, Cuba

^IITsinghua Innovation Center in Dongguan Biorefinery Engineering Research Center, Dongguan China

RESUMEN

El tratamiento anaeróbico es una alternativa de tratamiento del residuo del proceso de producción de etanol para producir biogás como energía renovable. El propósito de este estudio es la simulación con Microsoft Excel y los complementos Solver y SolverTable de un complejo agroindustrial formado por una planta de levadura torula que opera con vinaza como fuente de carbono y la producción de biogás utilizando digestores del Tipo UASB para el manejo de una parte de la vinaza y el residuo del proceso de producción de levadura torula. El estudio considera una capacidad de producción de etanol de 90,000 L / dy una producción máxima de levadura de 30 t/d. Los resultados muestran que la demanda de energía de una producción de 17 t/d de levadura puede satisfacerse mediante la generación de biogás y se obtiene una concentración de DQO a la salida que oscila entre 11 y 17 kg / m³.

Palabras clave: residuos de bioetanol; residuos de levadura torula; biogás

INTRODUCCIÓN

El uso de los desechos de la industria de la caña de azúcar ha sido ampliamente investigado por muchos autores. Como el bagazo de la caña de azúcar se usa principalmente en la cogeneración energética y la torta de filtro tiene un uso más amplio en el compostaje; las vinazas de las destilerías han encontrado una excelente oportunidad para la producción de biogás, aunque su uso más extendido en Cuba y Brasil sigue siendo la fertilización y el riego de la caña.

^{Janke et al. (2015)}, in their work different types presentaron un estudio comparativo sobre el potencial de producción de biogás de varios desechos resultantes de la industria de la caña de azúcar en Brasil. En su trabajo, se evalúan diferentes tipos de desechos, como vinaza, bagazo y torta de filtro desde el punto de vista cinético. En el caso de la vinaza, concluyen que el potencial de metano es del orden de 246-302 ml de CH₄ /g DQO, dependiendo de la destilería (independiente o anexa a un ingenio azucarero) y los resultados se ajustan a un modelo cinético de primer orden.

La modelación matemática del proceso de digestión anaeróbica es una herramienta muy útil para predecir el potencial de producción de biogás y el comportamiento del reactor de biogás. Se han reportado varios tipos de modelos en la literatura dependiendo del objetivo. ^{Lyberatos & Skiadas (1999)}, presentaron una excelente revisión de los modelos cinéticos existentes para los sistemas de digestión anaerobia. Aunque la investigación cinética está más allá de este estudio, es necesario evaluar los avances para vinaza y residual de levadura en este campo y el pronóstico del potencial de biogás en esos residuos.

(^{Budiyono et al., 2013}; ^{Syaichurrozi & Sumardiono, 2013}), presentaron una investigación básica sobre la cinética de la producción de biogás a partir de vinaza utilizando el modelo Gomperts modificado con variación de la relación DQO: N en la digestión anaeróbica por lotes. Encontraron que la variación de la relación DQO: N afectó los valores de los parámetros del modelo cinético de producción de biogás; la relación DQO: N de 600:7 fue la mejor relación con valores del potencial de producción de biogás de 109-132,6 ml de biogás/g DQO y el tiempo mínimo para producir biogás de 0,803 días. Otros estudios de (^{Budiyono & Sumardiono, 2014a}), fueron dirigidos a evaluar la influencia del pH inicial en la digestión anaeróbica por lotes y la influencia del contenido de sólidos totales en la de producción de biogás (^{Budiyono y Sumardiono, 2014b}). Los mejores resultados se mostraron a un pH de 7 con un potencial de biogás de 6,49 ml de biogás/gVS, mientras que la relación vinaza: agua de 1:3 produjo el máximo de biogás (37.409 ml/g de DQO); aunque la relación vinaza: agua de 1:2 logró la mayor reducción de DQO.

(^{Castro y Durán, 2002}), investigaron los efectos de la temperatura sobre la metanogénesis y la reducción de sulfato en la vinaza de la destilería con reactores de manto de lodos anaerobios de flujo ascendente (UASB) a 35, 45 y 55 ºC. La temperatura tiene un efecto positivo en la generación de metano por las bacterias metanogénicas en el rango estudiado, mientras que la generación de H₂S permanece constante, lo que indica que la actividad de las bacterias sulfato reductoras no aumenta ni disminuye debido a los efectos de la temperatura. Un modelo cinético de primer orden se ajustó a todas las corridas.

La investigación sobre la cinética del biogás para varios sustratos ha demostrado que las variables más importantes tanto en el control del proceso, como en la obtención de altos niveles de eliminación de materia orgánica son el pH del medio, la temperatura, la carga orgánica (OLR), el tiempo de retención hidráulica (HRT), el contenido de nutrientes y la relación efluente: inóculo; por lo tanto, las investigaciones se han dirigido en estas direcciones y al diseño y evaluación de diferentes tipos de reactores (^{Sosa et al., 2014}).

El reactor (UASB) es el digestor anaeróbico más popular probado para este tipo de aguas residuales, aunque también se han considerado otros reactores y métodos de tratamiento combinados (^{Sosa et al., 2014}).

Varios estudios sobre la producción de biogás a partir de vinaza se han desarrollado en Cuba. (^{Cabrera y Díaz, 2013}) investigaron la producción de biogás en un filtro de empaque de flujo ascendente anaeróbico de 3.4 L de capacidad utilizando cargas orgánicas entre 1.9 a 19.9 g COD / L.d y diferentes tiempos de retención hidráulica. Se demostró que los porcentajes de eliminación de DQO son inversamente proporcionales a la carga aplicada y que se puede obtener aproximadamente un 70% de reducción de DQO si se aplican cargas de 5 g DQO/Ld y TRH de 1 día o 16 g DQO/L.d durante 2 días de TRH. Sin embargo, el potencial de biogás del agua residual de la producción de levadura candida utilis ha recibido poca atención debido a su bajo contenido de DBO (7400 mg/L) como resultado del proceso aeróbico de la producción de levadura en sí. Algunos investigadores se han dedicado a evaluar diferentes alternativas para el tratamiento de aguas residuales provenientes de la producción de levadura de panadera; (^{Zub et al., 2008}), incluida la digestión anaerobia a escala industrial (^{Sirbu y Begea, 2011}). Las aguas residuales de la producción de levadura panadera son desechos que contienen sulfato, por lo que muchos estudios sobre la digestión anaeróbica de estos desechos se han dirigido a la eliminación de sulfato en estas (^{Krapivina et al., 2007}; ^{Zub et al., 2008}).

Para el propósito de este trabajo, se recomiendan modelos dirigidos a evaluar el potencial de producción de biogás. Las formas más simples de calcular la producción de biogás a partir de la materia orgánica se basa en modelos de ^{Buswell & Mueller (1952)}; ^{Boyle (1977)} o ^{Chernicharo (2007)}, porque son modelos independientes del tiempo basados en datos sobre composición global de la materia orgánica. Todos esos modelos se han utilizado para la simulación en estado estacionario de la producción de biogás a partir de diferentes sustratos.

Este estudio, mediante la simulación de procesos, considera la incorporación de una planta de biogás para procesar los desechos en una planta de levadura adjunta a una destilería, que emplea la vinaza como fuente de carbono para la producción de levadura.

MÉTODOS

El estudio considera una capacidad de producción de etanol de 90,000 L/d y una producción máxima de levadura de 30 t/d. Para la simulación del proceso y los análisis de sensibilidad se empleó Microsoft Excel y los complementos Solver y Solvertable respectivamente. La Tabla 1 muestra las condiciones del proceso consideradas durante la simulación.

TABLA 1 Características de las plantas consideradas en la simulación 

Parameters	Industry
	Distillery	Yeast plant	Biogas plant
Plant capacity	90000 L/d	6-30 t/d	According waste volume
Waste water flow	16 L/L of ethanol	100 -200 m^3/t	120-130 L/m^3
Waste COD (kg/m^3)	50-70	14-20	Simulated
Percent of COD removed		60	Simulated30-55

El modelo matemático consideró los balances de masa y de carbono en cada paso del proceso para las tres plantas. Estos se expresan mediante las siguientes ecuaciones:

Balance de masa

$\sum _{k=1}^2\left\{\sum _{j=1}^M\left[\sum _{i=1}^{N1}{F}_{i,j}^{in}-\sum _{i=1}^{N2}{F}_{i,j}^{out}\right]\right\}=0$

$F_{vt}-F_{vb}-F_{vy}=0$

Balance de carbono

$\sum _{k=1}^2\left\{\sum _{j=1}^M\left[\sum _{i=1}^{N1}{F}_{i,j}^{in}.C_{i,j}^{in}/d_i-\sum _{i=1}^{N2}{F}_{i,j}^{out}.C_{i,j}^{out}/d_i\right]\right\}=0$

Balance energético expresado mediante la siguiente ecuación:

$E_p-E_d-E_e-E_{g }\ge 0$

La producción de metano se estima según (^{Chernicharo, 2007}), mientras que la generación de biogás se considera un el 60% de metano.

$V_{CH4}=\frac{{COD}_{CH4}}{K\left(t\right)}$

$K\left(t\right)=\frac{P.K}{R.\left(273+T\right)}$

donde:

k	- número de planta (levadura y biogás)
N1	- número de corriente de entrada en cada etapa del proceso
N2	- número de corriente de salida en cada etapa del proceso
M	- número de etapas del proceso en cada planta
$F_{i,j}^{in},F_{i,j}^{out}$	- Flujos de entrada y salida (i) en las etapas js del proceso (kg / h)
Fvt	- flujo total de vinaza (kg / h)
$C_{i,j}^{in},C_{i,j}^{out}$	- Concentraciones de entrada y salida relacionadas con diferentes corrientes en js etapas de proceso (concentraciones de carbono). (kg / m^3)
di	- Densidad de flujo (kg / m^3)
Fvt, Fvb, Fvy	- flujo total de vinaza, flujo que se utiliza en la generación de biogás y en la producción de levadura, respectivamente.
Ep	- Energía generada por la planta de biogás.
Es	- Energía utilizada en el secado de la levadura
Ee	- Energía eléctrica utilizada en la planta de levadura.
Eg	- electricidad exportada a la red.
VCH4	- Volumen de producción de metano (L)
CODCH4	- Carga de COD eliminada en el reactor y convertida en metano (gCOD)
K(t)	- factor de corrección para la temperatura operativa del reactor (gCOD / L)
R	- constante de gas (0,08206 atm.L / mol.^oK)
P	- presión atmosférica (1 atm)
T	- temperatura operativa del reactor (^oC)
K	- DQO correspondiente a un mol de CH4 (64gCOD / mol)

RESULTADOS Y DISCUSIÓN

Caracterización de sustratos

Las propiedades de los dos residuales considerados en el análisis se muestran en la tabla 2. Se puede observar que existe una gran dispersión de los valores reportados para la vinaza como resultado de la operación en la destilería con melaza de diferentes ingenios azucareros en todo el periodo de cosecha. La relación DQO: DBO para vinaza es 2,34 ± 1,68 y 2,41 ± 1,60 para aguas residuales de levadura.

El uso de la vinaza de destilería como fuente de carbono en la producción de levadura forrajera tiene un impacto positivo en la reducción de los costos de producción de levadura (reemplazando la melaza) y ayuda a reducir la carga orgánica de vinaza en aproximadamente un 60%, por lo que esta alternativa se estableció como estrategia para el tratamiento de la vinaza.

Sin embargo, incluso con el uso de vinaza como fuente de carbono, la producción de levadura forrajera o levadura torula, como también se la conoce en Cuba, tiene desventajas competitivas con la harina de soya para la alimentación animal, dado su elevado costo de producción debido a los altos niveles de energía consumidos en el proceso. El consumo de electricidad de esta producción asciende a 1300 kWh por tonelada de levadura, mientras que el consumo de diesel para el secado de levadura es de 420-430 kg/t de levadura.

TABLA 2 Composición de las aguas residuales utilizadas en la simulación 

Parameters	Vinasse		Yeast wastewater
	Mean	SD	Mean	SD
COD (mg/L)	53738	13548	15824	5477
BOD (mg/L)	22999	8050	6542	3425
Total Nitrogen (mg/L)	272	274	140	90
Total Phosphorus (mg/L)	245	242	589	274
ST (mg/L)	39619	18359	13525	5121
STF (mg/L)	10743	5759	5825	3621
STV (mg/L)	31624	11952	7700	2905
SDT (mg/L)	25218	25563	12390	4620
SDF (mg/L)	6613	7047	5430	3298
SDV (mg/L)	18635	18795	6960	2484
SST (mg/L)	18561	18098	1135	622
SSF (mg/L)	9913	29222	395	402
SSV (mg/L)	14259	13268	740	457
pH	4,22	0,34	5,84	1,94
CE (mS/cm)	11,05	6,76	9,68	1,92

El agua residual resultante de la producción de levadura es de aproximadamente 120-130 m³/t de levadura con una carga orgánica de aproximadamente 15 kg / m³ de DQO. Los ensayos metanogénicos preliminares de este efluente reportan que todavía posee un potencial de biogás equivalente al 30% de la DQO, lo que podría contribuir a reducir los costos de energía de dicha producción.

Los ensayos metanogénicos de la vinaza se muestra en la figura 1, donde los valores de producción de metano concuerdan con los obtenidos por (^{Janke et al., 2015}).

FIGURA 1 Prueba metanogénica de vinaza de destilería de etanol de melaza. 

La interrelación entre las tres instalaciones industriales se representa en el diagrama de bloques de la Figura 2, donde la vinaza de la destilería es empleada en la producción de levadura, aun cuando una fracción de ella puede emplearse para la generación de biogás junto con las aguas residuales resultantes de la fábrica de levadura. Una mayor desviación del flujo de vinaza hacia la producción de biogás aumentará el porcentaje de eliminación de DQO en la fábrica, con el consiguiente aumento de la producción de biogás, debido a la mayor DBO de vinaza, pero la capacidad de producción de la planta de levadura se reducirá. El biogás producido puede emplearse opcionalmente para secar la levadura o para generar electricidad para el proceso. El problema consiste en determinar la capacidad de la levadura que la hace competitiva con la harina de soya.

FIGURA 2 Interacción entre destilería, planta de levadura y planta de biogás. 

Resultados de simulación en estado estacionario

La producción máxima de levadura depende de la cantidad de vinaza que se genera por la destilería y su composición orgánica. Para una concentración de vinaza de 53,7 kg/m³, la capacidad máxima de producción de levadura es de aproximadamente 16.4 t/d al costo de producción de 718 pesos cubanos (CUP)/t, independientemente de que la capacidad de la planta de levadura existente sea mayor. Por lo tanto, en este caso, para aumentar aún más la producción de levadura es esencial una fuente de carbono adicional, como la melaza, la que aumentaría los costos de producción, debido a su precio en el mercado.

La evaluación preliminar muestra que la producción de biogás con residuos de levadura solo puede satisfacer el 38% de la energía requerida por el proceso para cualquier nivel de utilización de la capacidad de la planta de levadura, porque el volumen de residual de la producción de levadura y su empleo en la producción de biogás también depende de la capacidad de producción.

Una alternativa es desviar una fracción del flujo de vinaza para producir biogás, de modo que aumente la contribución de energía del residual (vinaza y residual de levadura mezclados) y se reduzca el costo de producción. La Figura 3 ilustra la variación del aporte energético de la producción de biogás para varios niveles de utilización de la capacidad de producción de levadura utilizando vinaza de 53,7 kg / m³ de DQO.

FIGURA 3 El nivel de energía se puede satisfacer en la producción de levadura con el aumento de la capacidad. 

Es evidente que, si bien la capacidad no supera las 9,6 t/d de levadura la energía producida, puede satisfacer el 100% de la energía requerida con el empleo del biogás resultante de una mezcla de vinaza - residual de levadura, e incluso obtener un excedente de electricidad para venta a la red. Por encima de 9.6 t/d de levadura, la satisfacción del nivel de energía disminuye y afecta primero la demanda de electricidad y luego la demanda de energía del secado cuando la capacidad de producción excede de 14 t / d.

Durante el aumento de la capacidad de producción de levadura, el flujo de vinaza hacia la producción de biogás disminuye con la consiguiente disminución de la entrega de electricidad a la red. La capacidad de producción de levadura de 9,6 t/d puede satisfacerse con el 51,8% de la vinaza disponible, mientras que un flujo adicional de 683,7 m³/d de vinazas mezclado con aguas residuales de la producción de levadura es suficiente para satisfacer el 100% del requerimiento de energía con la producción de biogás, como se muestra en la figura 2.

El impacto de este enfoque en el costo de producción de levadura se ilustra en la Figura 4, donde se observa la existencia de un costo óptimo para la capacidad de 9,6 t/d.

FIGURA 4 Variación del costo de producción de levadura con mayor capacidad de producción. 

Desde el punto de vista ambiental, debe tenerse en cuenta que el nivel de reducción de DQO depende de la mezcla de vinaza: residual de levadura utilizados como se muestra en la Figura 5. Para bajas capacidades de producción de levadura, donde se puede utilizar un volumen significativo de vinaza para la producción de biogás, el porcentaje de reducción de DQO supera el 50%; sin embargo, este cae dramáticamente al 30% cuando se alcanza la máxima capacidad disponible.

La concentración de materia orgánica de entrada a la planta de biogás dependerá de la mezcla de vinaza: residual de levadura empleada, mientras que la concentración de salida depende de las condiciones de entrada y del porcentaje de reducción de DQO.

La concentración de DQO en la salida estará entre 11 y 17 kg/m³, valores que no cumplen con los estándares nacionales de vertimiento, a pesar de ser bajos, pero permiten considerar los desechos como agua de riego.

Por supuesto, el modelo evaluado es sensible a los cambios en la DQO de entrada de la vinaza, de modo que, si este aumenta, para un valor fijo en la reducción de la DQO en la planta de levadura, el potencial de producción de levadura y biogás aumentará, y por lo tanto, la satisfacción energética de la producción de levadura.

En la Figura 5 se ilustra que el punto de inflexión que indica el costo mínimo para el uso de vinaza de 53,7 kg/m³ de DQO, toma valores de 10,51 y 11,9 t/d para el uso de vinaza de 60 y 70 kg/m³ de DQO respectivamente.

FIGURA 5 Variación del porcentaje de eliminación de DQO y la salida de la planta de levadura (entrada de la planta de biogás) con mayor capacidad de producción. 

CONCLUSIONES

• El modelo matemático permitió evaluar a través de los balances de masa y sólidos orgánicos, la interrelación energética y ambiental de las plantas de producción de etanol, levadura torula y la producción de biogás.

• Para una capacidad real de destilería y plantas de levadura instaladas, se logra un costo óptimo del proceso de producción de levadura torula para la capacidad de 9,6 t / d y se puede sustituir el 100% de la energía requerida con la generación de biogás.

• Desde el punto de vista medioambiental, se obtiene un nivel de reducción de DQO, para generar un residuo que oscila entre 11 y 17 kg/m³, lo que permite ser considerado como agua de riego.

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Recibido: 15 de Diciembre de 2019; Aprobado: 13 de Marzo de 2020