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INGENIERÍA QUÍMICA

Vinaza para generar energía

Más allá de su utilización como fertilizante, el residuo del etanol podría emplearse en la producción de electricidad

Almacenamiento de vinaza en una central del municipio de Porto Ferreira, en el interior paulista

Fábio ColombiniAlmacenamiento de vinaza en una central del municipio de Porto Ferreira, en el interior paulistaFábio Colombini

En 2014, se generaron en Brasil alrededor de 280 mil millones de hectolitros de vinaza, un residuo de la producción del etanol. Casi la totalidad de ese volumen (el 97%) se utilizó como fertilizante y para riego en las propias plantaciones de caña de azúcar. El problema radica en que esta práctica causa un impacto ambiental y desperdicia utilidades potenciales más nobles de este producto, como es el caso, por ejemplo, de la generación de energía eléctrica. La transformación de la vinaza en biogás mediante el empleo de biodigestores podría modificar este panorama, tal como lo muestran dos proyectos en desarrollo, uno en la Escuela de Ingeniería de São Carlos (EESC), de la Universidad de São Paulo (USP), y otro en el Laboratorio Nacional de Ciencia y Tecnología del Bioetanol (CTBE), del Centro Nacional de Investigación en Energía y Materiales (CNPEM).

La vinaza es un residuo del etanol que comenzó a cobrar importancia luego de la creación del Programa Nacional del Alcohol, más conocido como Proalcohol, en 1975. Para la elaboración de alcohol, se utiliza el jugo de la cañamiel. Lo que sobra es la vinaza, una sustancia rica en potasio, calcio y magnesio. Como el volumen de este residuo que se produce en las casi 400 centrales existentes en Brasil es muy grande, por razones económicas, se lo emplea excesivamente como fertilizante. Su uso exagerado causa daños ambientales, entre los cuales se pueden mencionar la contaminación de las napas freáticas con potasio, la salinización del suelo, la lixiviación de metales y sulfatos y la emisión de malos olores y de gases con efecto invernadero, tales como el óxido nitroso (N2O), que es unas 300 veces más contaminante que el dióxido de carbono (CO2).

El proyecto que apunta a aprovechar mejor la vinaza está coordinado por el profesor Marcelo Zaiat, de la EESC de la USP. Las investigaciones comenzaron al inicio de 2011, y en ellas participan nueve científicos provenientes de la EESC, la Universidad Federal de São Carlos (UFSCar), la Universidade Estadual Paulista (Unesp) y el Instituto Mauá de Tecnología (IMT), de São Caetano do Sul. “Nuestro objetivo principal es el desarrollo de una nueva generación de digestores anaerobios, más compactos, robustos y estables, con alta eficiencia para la conversión de materia orgánica de la vinaza en biogás”, dice Zaiat. El investigador explica que a estos dispositivos se los concibe para que se produzcan reacciones catalizadas por bacterias y arqueas. El proceso anaeróbico ocurre en ausencia de oxígeno mediante la fermentación autocontrolada de la materia orgánica promovida por un conjunto de microorganismos que viven en esos ambientes.

Una plantación de caña de azúcar irrigada y fertilizada con la vinaza, en una finca del estado de Paraná

ALF RIBEIRO/AE Una plantación de caña de azúcar irrigada y fertilizada con la vinaza, en una finca del estado de ParanáALF RIBEIRO/AE

“Lo que nos proponemos es transformar en biogás la materia orgánica de la vinaza, por medio de un cultivo de microorganismos”, dice Zaiat. El biogás está compuesto prioritariamente por metano, además de dióxido de carbono y otros gases en pequeñas cantidades. Luego de un tratamiento adecuado, a ese biogás se lo puede utilizar para la generación de energía eléctrica, al dar impulso a la turbina de un generador. Además, la producción de biogás minimiza el impacto ambiental del uso del residuo como fertilizante en el cultivo de la caña de azúcar, toda vez que la vinaza biodigerida contiene menos materia orgánica.

En Brasil, no se cuenta con biorreactores a gran escala: solamente hay uno de pequeña capacidad de la década de 1980 en una central en la región de Ribeirão Preto, que biodigiere una pequeña parte de la vinaza y produce el biogás que se utiliza para el secado de la levadura. En el caso del dispositivo que está desarrollando su equipo, Zaiat dice que el avance del conocimiento científico al respecto de los fundamentos del proceso anaeróbico en los últimos 30 años ayudó en la concepción del biorreactor. “Si bien el proceso esencialmente es el mismo, los reactores que hoy en día se desarrollan son mucho más avanzados tecnológicamente, lo que permite alcanzar una mayor eficiencia de conversión, con mayor estabilidad del proceso, en sistemas más compactos y seguros”, añade.

El grupo trabaja con varias configuraciones de biodigestores. “Existen varias técnicas para ello, pero la que más se utiliza en nuestra área consiste en el aporte de una superficie de un material inerte, al cual se adhieren las bacterias y arqueas formando lo que denominamos una biopelícula”, explica Zaiat. “Así, aprovechamos la capacidad natural que éstas tienen de adherirse a superficies, con la vinaza como medio de cultivo”.

El biogás que se produce en el biorreactor, con menor concentración de CO2, puede utilizarse, por ejemplo, para la cogeneración de energía en las calderas de la central, liberando así al bagazo ‒que actualmente se quema para generar electricidad‒ para la producción de etanol de segunda generación. El gas también puede utilizarse en reemplazo de parte del gasoil de los motores de camiones y tractores, lo que vuelve más sostenible el proceso productivo de la caña de azúcar. La vinaza biodigerida, líquida, también puede utilizarse como fertilizante, con un bajo tenor de materia orgánica, pero conservando prácticamente todos los nutrientes originales del residuo. O incluso puede concentrarse y utilizarse como base para la elaboración de un fertilizante orgánico mineral para el cultivo de la caña de azúcar, según las necesidades de la planta. En este caso, el agua extraída durante el proceso de concentración puede retornar a la central con diversas utilidades. “Esto es lo que denomino integración: los residuos se utilizan como parte del propio proceso productivo”, dice Zaiat.

Una central virtual
En el marco de otro proyecto, bajo la coordinación del CTBE y que cuenta con la participación de Zaiat, se apunta ‒mediante el empleo de modelos matemáticos‒ la a creación de una central más eficiente en todos sus procesos. “Estamos desarrollando los modelos matemáticos para las diversas operaciones que realiza una usina, tales como recepción y preparación de la caña de azúcar, extracción del jugo, fermentación, cristalización [azúcar], destilación y deshidratación [etanol], cogeneración de energía y biodigestión de la vinaza”, explica el ingeniero químico Antonio Bonomi, coordinador del proyecto. “Estos modelos posibilitarán una optimización del proceso, es decir: definirán las condiciones operativas en que deberá desempeñarse la biorrefinería para maximizar su rendimiento y la rentabilidad económica”.

Lo que el grupo de Bonomi se propone con este proyecto es la construcción de una central virtual de primera generación. Para ello, los modelos matemáticos de cada operación se cargan en un software de simulación denominado Environment for Modeling, Simulation and Optimization (Emso). “Para el caso del proceso de biodigestión de la vinaza, por ejemplo, el modelo matemático indicará con qué caudal es preciso alimentar al biodigestor para lograr la mayor producción de biogás posible”, explica Bonomi. Uno de sus objetivos también consiste en la producción de un gas con una mayor proporción de metano, con un 96,5%: es el biometano. En la actualidad, lo máximo que se consigue con los reactores comunes es un 60%. De este modo, además de sustituir el gasoil en los camiones y en las maquinarias agrícolas, se podría alimentar a la red pública de distribución de gas natural.

VinhacaLa persona que trabaja en el modelo matemático y en los exámenes de la unidad de biodigestión es la investigadora Bruna de Souza Moraes, del CTBE, bajo la coordinación del profesor Rogers Ribeiro, de la Facultad de Zootecnia e Ingeniería de Alimentos (FZEA) de la Universidad de São Paulo (USP). “Nuestra labor apunta a analizar la inclusión de la producción de biogás en las centrales a partir de sus residuos, así como las posibilidades de utilizarlo para promover la optimización energética y la sostenibilidad ambiental del sector”, explica De Souza Moraes. “La idea consiste en presentar las ventajas de esos escenarios con cifras, por medio de un análisis técnico, económico y ambiental, con el fin de estimular la aplicación real de esta nueva configuración de biorrefinería”.

Según la investigadora, los resultados obtenidos hasta ahora demostraron que la producción de biogás a partir de la vinaza es más ventajosa en los casos en que se lo convierte en biometano (un gas con un contenido mínimo del 96,5% de metano). “En tales escenarios, su venta para alimentar la red pública de gas natural y el uso como sustituto del gasoil ofrecieron los mejores indicadores económicos y ambientales”, dice. “Un análisis más reciente reveló que es posible lograr una reducción de hasta un 42% en las emisiones de gases de efecto invernadero en la producción de la caña de azúcar mediante la sustitución parcial del combustible fósil”. La tasa interna de retorno anual de la inversión para este escenario es del 25%, para una biorrefinería con una capacidad de procesamiento de cuatro millones de toneladas de caña de azúcar por zafra.

De Souza Moraes también cuenta con cifras del potencial de generación de energía eléctrica con la vinaza. En una usina que produce un 50% de etanol y otro 50% de azúcar, con capacidad para la molienda de cuatro millones de toneladas de caña por año, se pueden producir anualmente alrededor de dos millones de metros cúbicos (m3) del residuo. Si se tiene en cuenta que un m3 de vinaza tiene potencial para generar 14 m3 de biogás, esa biorrefinería sería capaz de producir 28 millones de m3 de ese gas por año.

Ese valor corresponde a una capacidad anual de 65 mil megavatios hora (MWh) de electricidad. “Esto significa que la energía generada mediante la producción de biogás a partir de la vinaza de una central podría dar cuenta de la demanda de electricidad de una ciudad con alrededor de 260 mil habitantes”, dice De Souza Moraes. “Si fuera biodigerida toda la vinaza que produce Brasil, el potencial de generación de energía eléctrica en el país sería equivalente al 7,5% de la capacidad de la central hidroeléctrica de Itaipú”.

Para la Unión de la Industria de la Caña de Azúcar (Unica), representante de los productores de azúcar y etanol, la utilización de la vinaza en la irrigación constituye una forma de economizar agua y fertilizantes. “La fertirrigación con vinaza también economiza la aplicación de fertilizantes químicos”, dice Alfred Szwarc, consultor de emisiones y tecnologías de Unica. “Existen nuevas formas de aprovechar la vinaza, pero las mismas aún se efectúan a menor escala. También hay proyectos para concentrar y transformar la vinaza en un fertilizante comercial”, dice Szwarc.

Proyectos
1.
Producción de bioenergía en el tratamiento de las aguas residuales y adecuación ambiental de los efluentes y residuos generados (nº 2009/15984-0); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Marcelo Zaiat (USP); Inversión R$ 1.855.372,36 y US$ 428.142,36
2. Simulación de la biorrefinería de caña de azúcar de primera generación en la plataforma Emso (nº 2011/51902-9); Modalidad Proyecto Temático; Investigador responsable Antonio Bonomi (CTBE); Inversión R$ 2.410.414,09 y US$ 926.930,50
3. Biodigestión anaerobia de la vinaza y del licor de pentosas en biorrefinerías integradas de primera y segunda generación (nº 2012/00414-7); Modalidad Beca de Posdoctorado; Becaria Bruna de Souza Moraes (CTBE); Investigador responsable Marcelo Zaiat (USP); Inversión R$ 302.095,11

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