Tratamiento de residuos derivados del procesado de café y plátano mediante biometanización y compostaje
- Autores: Johana Andrea Serna Jimenez
- Directores de la Tesis: José Ángel Siles López (dir. tes.), Arturo Chica Pérez (dir. tes.)
- Lectura: En la Universidad de Córdoba (ESP) ( España ) en 2023
- Idioma: español
- Tribunal Calificador de la Tesis: María del Carmen Gutiérrez Martín (presid.), Antonio Serrano Moral (secret.), Fernanda Pinto Ibieta (voc.)
- Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Biociencias y Ciencias Agroalimentarias por la Universidad de Córdoba
- Materias:
- Enlaces
- Tesis en acceso abierto en: Helvia
- Resumen
1. Introducción o motivación de la tesis:
El crecimiento demográfico y las necesidades de procesos de transformación en las actividades primarias del sector agroindustrial generan una gran cantidad de residuos, siendo su gestión un problema que afecta la sostenibilidad en sus tres principales vertientes: medio ambiente, economía y sociedad (Sharma et al., 2021). Una de las consecuencias de una gestión inadecuada de los mismos es el cambio climático, inducido por la emisión de gases efecto invernadero a partir de sustancias orgánicas residuales (Bian et al., 2022), siendo destacable que la producción mundial de residuos va en aumento. Así, en 2021 se produjeron 2,0 billones de toneladas de residuos, estimándose un incremento de 3,4 billones de toneladas para el 2050, con la emisión de 2,4 billones de toneladas de CO2 equivalente por año si no se hace nada para evitar su generación (Sharma et al., 2021). En este contexto, el sector agroalimentario es uno de los sectores industriales que mayor cantidad de residuos biomásicos genera en la actualidad (Greses et al., 2020). Así, su correcta gestión es fundamental, debiendo considerar que los sustratos agroindustriales generados desde el lugar de siembra y los que se derivan de su manejo y comercialización pueden constituir un serio problema medioambiental (Yepes et al., 2008). Surge, por tanto, la necesidad de su transformación en productos útiles y de valor añadido, mediante el estudio e implantación de nuevas alternativas tecnológicas tendentes a su aprovechamiento de forma eficiente (Mirabella et al., 2014).
En concreto, de acuerdo con Dahiya et al. (2018), cada año se desperdician 1.300 millones de toneladas de alimentos durante su producción, manipulación, almacenamiento, procesamiento, distribución o consumo. Usualmente, se utiliza el vertido, compostaje o incineración para su eliminación. Sin embargo, las consecuencias ambientales derivadas de los mismos, el coste de manejo de los residuos y la emisión de gases efecto invernadero, entre otros, hacen que dicha gestión no sea en ocasiones la más adecuada (Gil et al., 2015). Además, los residuos agroalimentarios se pueden convertir en una plataforma de materia prima para el desarrollo de bioprocesos y procesos de transformación de los que se puedan obtener biocompuestos de interés, bioenergía, enmiendas orgánicas, biomasa bacteriana o fúngica, biomateriales, etc., de base biotecnológica o química (Dahiya et al., 2018; Greses et al., 2020; Koolivand et al., 2017; Lin et al., 2013). En este sentido, la FAO sugiere evitar los biorresiduos no reciclados como una de las cinco vías hacia una bioeconomía sostenible, verde y circular, en la que estos sustratos orgánicos se pueden convertir en un espectro de productos químicos ¿biocommodities¿ y bioenergía, mediante el empleo de bioprocesos, si bien en la actualidad los biorresiduos suelen ser poco aprovechados (Dahiya et al., 2018).
El café es el ¿commodity¿ alimentario más importante en el mundo y es segundo después del petróleo crudo y otros productos básicos. Así, la producción mundial de café verde se estimó en 10.688.153 toneladas en 2020 (FAO, 2022). Aproximadamente, 60 países con ubicación tropical y subtropical producen café de forma extensiva y se considera que el 90% de estos son países subdesarrollados, si bien la mayor parte del consumo se da principalmente en economías industrializadas (Dadi et al., 2018). La importancia económica del café se debe principalmente a la infusión de café, que es preparada a partir de los granos tostados y molidos. En Colombia predomina con cafés suaves de la variedad Arabica, siendo el tercer productor de café en el mundo debido a las condiciones agroclimáticas del territorio. Su producción es rural, sosteniendo a numerosas familias campesinas, por lo que las instalaciones presentan diferentes niveles de tecnificación en función del tamaño del cultivo. En la transformación de la cereza de café, se generan grandes cantidades de residuos y subproductos, entre los que destacan la pulpa y cáscara (45% de la cereza), con pocas metodologías para su uso, ya que generalmente se dejan descomponer sobre el suelo de manera no controlada en torno a las zonas de producción y pueden producir problemas fitosanitarios y contaminación cruzada (Alemayehu et al., 2022; Dadi et al., 2018). Con la alta producción de café proyectada en los próximos años, existe una necesidad imperiosa de equilibrar esta producción con la utilización adecuada y la aplicación industrial de residuos y subproductos de café.
En cuanto al cultivo del plátano, es de destacar que su producción a nivel mundial en 2018 alcanzó valores próximos a 39,4 millones de toneladas, el segundo año con mayor producción tras 2015 (39,6 millones de toneladas). Colombia es también uno de los países con mayor producción de plátano, en concreto el cuarto, con valores que alcanzan en torno a 3,6 millones de toneladas/año. Además, se estima un área cultivada con plátano distribuida en un 87 % como cultivo tradicional asociado con café, cacao, yuca y frutales, y el 13 % restante como monocultivo tecnificado (Espinal et al., 2005; FAO, 2020). Dado que gran parte del fruto se corresponde con la cáscara (40%), considerando que el plátano es una fruta tropical que se cultiva en más de 130 países del mundo y con la segunda producción más significativa del mundo (aprox. 16%) en comparación con otras frutas (Pisutpaisal et al., 2014), la gestión de los residuos resultantes de su procesado cobra un interés especial.
2.Contenido de la investigación:
Actualmente, los Objetivos de Desarrollo Sostenible (ODS) planteados por la Organización de las Naciones Unidas, incluyen importantes retos relacionados con el desarrollo de sistemas de producción sostenible, así como el uso regulado de los recursos, requiriéndose una transición en los sistemas productivos para mejorar su sostenibilidad económica, ambiental y social. Así, la bioeconomía surge como una herramienta que promueve la consecución de los ODS antes del 2030, basándose entre otros en el aprovechamiento integral y sostenible de los diferentes recursos y siendo fundamental la valorización de la biomasa residual derivada de los principales procesos productivos. En este sentido la biorrefinería y los bioprocesos son herramientas muy prometedoras para desarrollar sistemas de producción sostenibles, destacando la digestión anaerobia y compostaje como tecnologías viables para el tratamiento y valorización de residuos orgánicos biodegradables.
Con el objetivo de mejorar la sostenibilidad ambiental del tratamiento de los residuos orgánicos derivados del procesado del grano de café y del plátano, dos sectores agroindustriales de marcada importancia a nivel internacional, en esta Tesis Doctoral se evalúan diferentes rutas de tratamiento y valorización, tras realizar dos revisiones bibliográficas recientemente publicadas, que demuestran la versatilidad de ambos tipos de residuos para ser aprovechados a través de diferentes vías. Si bien en la actualidad la alternativa más frecuente para su gestión es la disposición en vertedero o en las propias zonas de producción, en primer lugar, se han propuesto sendos aprovechamientos de biorrefinería para los mismos, incluyendo de forma concatenada algunos de los tratamientos más prometedores descritos en la bibliografía científica. Seguidamente, dada la importancia de la producción de combustibles renovables en la actualidad, se ha evaluado, de forma experimental y a escala de laboratorio, la viabilidad de la biometanización de la pulpa de café, utilizando dos inóculos anaerobios diferentes: lodo granular y no granular, demostrándose la idoneidad del uso del primero de ellos, en condiciones mesófilas. Además, se ha estudiado el efecto producido en el rendimiento de la digestión anaerobia de la pulpa de café tras la extracción de biocomponentes como cafeína y polifenoles presentes en la misma, así como de su co-digestión con cáscara de plátano, por ser frecuente el cultivo combinado de ambos frutos en diversos países de América Latina. Es destacable que para la extracción de biocomponentes de la pulpa de café se han estudiado principalmente sistemas de extracción en el marco de la Química Verde, empleando agua como solvente y sistemas de extracción asistidos por ultrasonidos, bajo diferentes condiciones de operación en términos de temperatura, tiempo y potencia aplicada, que han sido modelizados exitosamente. En paralelo, se ha estudiado la biometanización de la cáscara de plátano y su combustión (esta última desde el punto de vista teórico), así como la producción de carbón activado y baterías recargables sostenibles para el almacenamiento de energía, a partir de la misma, obteniéndose resultados muy prometedores. Adicionalmente, se ha evaluado la viabilidad del co-compostaje de la fracción orgánica de los residuos sólidos urbanos (FORSU) y la cáscara de plátano, realizando un seguimiento de sus características físico-químicas y respirométricas principales a lo largo del proceso y evaluando la mitigación de la emisión de olor derivada del mismo, lo cual no es frecuente en este tipo de estudios. Además, se ha realizado un análisis quimiométrico mediante PCA (Principal Component Analysis) y regresión multivariante con el objetivo de realizar agrupamientos de las mezclas ensayas en función del tiempo de compostaje, así como una primera aproximación para predecir la concentración de olor emitido a partir de las variables físico-químicas y respirométricas analizadas.
3.Conclusión:
¿ El desarrollo de sistemas de biorrefinería es una alternativa muy prometedora para la gestión de residuos orgánicos derivados del procesado primario del café y del plátano, permitiendo potenciar el cumplimiento de algunos ODS fundamentales en la actualidad y el incremento de la productividad y competitividad de los sectores productivos de los que derivan ¿ Las revisiones bibliográficas realizadas ponen de manifiesto la amplia diversidad de alternativas descritas en la literatura científica para la gestión de los residuos objeto de estudio, siendo la opción más frecuente hasta la fecha la disposición en vertedero o en torno a las propias zonas de producción. Se requieren, por tanto, esfuerzos adicionales por parte de los distintos agentes público/privados involucrados, para impulsar su implantación a mayor escala y en el contexto de la economía circular.
¿ Dado el interés de la combinación de los procesos biotecnológicos con pretratamientos que permitan la extracción de compuestos bioactivos a partir de la biomasa residual, un primer estudio experimental en sustratos sintéticos ricos en cafeína ha confirmado la idoneidad del uso de agua como solvente en sistema de ultrasonido, alcanza extracciones de 92%, tras 13 min de extracción, con un consumo energético de 959 kJ/g sustrato.
¿ La comparación entre las extracciones sólido-líquido y asistido por ultrasonido, confirma la idoneidad de la aplicación de ultrasonidos y el uso de solventes con características GRAS (generalmente reconocidos y seguros) como el agua, para la extracción de cafeína y polifenoles a partir de la pulpa residual de café, alcanzándose rendimientos de 13,0 g/kg pulpa y 10,4 g/ kg pulpa, respectivamente, (equivalentes a una eficacia de extracción próxima a 85%) y reduciendo el requerimiento energético hasta valores superiores a 70% para tiempos de tratamiento de 5,5 min, temperaturas de operación en el rango 75-90ºC y 370 W de potencia.
¿ La situación energética actual promueve, a nivel global, la transición energética hacia el uso de biocombustibles gaseosos como el biogás, siendo recomendable el uso de inóculos de naturaleza granular en los digestores anaerobios mesófilos destinados al tratamiento de la pulpa de café residual, ya que aportan estabilidad al proceso de biometanización. Dicho tratamiento genera 23 m3CH4/Ton pulpa (230 kW·h/Ton pulpa), alcanzando una biodegradabilidad del residuo próxima al 66% y una velocidad de carga orgánica (VCO) en torno a 23 kg pulpa/m3·d. No obstante, se ha observado inhibición por sustrato para las cargas más elevadas realizadas. Los resultados obtenidos a partir de la pulpa pretratada con ultrasonido aumentan la biodegradabilidad anaerobia de la misma (71%) y la VCO (49 kg pulpa pretratada/m3·d), manteniéndose la producción de metano en valores similares a los anteriormente indicados. No obstante, los ensayos de co-digestión de pulpa de café con cáscara de plátano permiten incrementar el rendimiento en la producción de metano (>30%). Por tanto, la biometanización conjunta de ambos sustratos podría ser una alternativa de gestión interesante en las zonas donde coexisten ambos tipos de cultivo.
¿ La biometanización individual de la cáscara de plátano también es posible, permitiendo alcanzar un rendimiento en la producción de metano de 18 m3 CH4/Ton residuo (18 kW·h/Ton residuo), una biodegradabilidad anaerobia de 68% y VCO de 25 kg residuo/m3·d. Aunque la combustión de la misma también es posible, no computando las emisiones de CO2 derivadas en términos de efecto invernadero, se requiere un secado previo de la cáscara de plátano y los gases de combustión son ricos en óxidos de nitrógeno (0,35%), lo que puede comprometer la aplicabilidad de dicha alternativa de valorización a nivel industrial. Además, la aplicación de pirólisis a la cáscara de plátano permite obtener carbones de elevada pureza, baja cristalinidad y SBET de 264 m2/g, lo que hace posible su uso para la fabricación de ánodos para baterías recargables sostenibles litio-ion (LIBs), que ofrecen una destacable capacidad reversible de 225 mAh/g a 0,2 C, tras 200 ciclos de carga y descarga.
¿ El co-compostaje de la cáscara de plátano con la FORSU es una alternativa innovadora adicional para la gestión simultánea de ambos residuos orgánicos, permitiendo la obtención de compost tipo A (excepto para el Cd), alcanzándose relaciones C/N < 25 en todos los casos evaluados, tras dos meses de procesado. Se ha observado que el co-compostaje permite reducir los picos de olor máximos emitidos durante la etapa termófila (>30%), a expensas del requerimiento de una etapa de maduración adicional para incrementar la estabilidad de la enmienda orgánica final obtenida.
¿ La realización de un análisis quimiométrico mediante PCA, ha permitido realizar agrupamientos en función del tiempo de compostaje (fase hidrolítica y de maduración), explicando el 72% de la varianza total e identificando las variables más influyentes en cada etapa. Además, el desarrollo de un modelo de regresión multivariante ha permitido realizar una primera aproximación en la predicción de la concentración de olor derivada del compostaje individual y combinado de la cáscara de plátano residual y la FORSU, a partir de la caracterización físico-química y respirométrica de los mismos a lo largo del proceso, siendo el pH y la concentración de TOC y SV las variables más influyentes en la generación de olor, bajo las condiciones experimentales ensayadas.
Los resultados obtenidos en esta Tesis Doctoral pueden suponer un avance importante en la gestión de los residuos agroindustriales derivados del procesado del café y del plátano, con el objetivo de mejorar su sostenibilidad en el contexto de la biorrefinería y economía circular.
4. Bibliografía:
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